Design of a supercritical carbon dioxide centrifugal compressor

The aim of this thesis is the design and analysis of the most critical component of a power cycle running carbon dioxide at supercritical pressure and temperature: the centrifugal compressor. In particular, the focus is on the main compressor, which has to cope with real gas effects and possible two-phase flow onset due to its proximity to the critical point. The supercritical carbon dioxide power cycles are very interesting because operating close to the critical point allows to have higher density and lower overall compression work. Thus, the compressor has to deal with a real gas whereas the turbine with a gas. These aspects allow to take benefits with respect to steam cycles in terms of higher conversion efficiency, smaller size of the turbomachinery and less complexity in plant layout. Moreover, these kind of cycles are very flexible and able to efficiently convert the energy coming from a number of hot sources, from fossil fuels to nuclear and renewables. The peculiarity of working near the critical point determines not only the strength of this application, but the weakness too. Namely, the compressor has its intake thermodynamic point close to the critical one. Therefore, this turbomachinery has to face real-gas effects, the occurrence of two-phase flow and strong gradients of the heat capacity, with the risk of transonic or even supersonic conditions. In this work, a detailed analysis of the compressor is developed. Once settled on the general features of the cycle, an optimization routine has been executed in order to establish the inlet thermodynamic point of the compressor, its compression ratio and mass flow rate. Starting from scratch, the main characteristics of the compressor are identified through a mean-line design tool. Then, CFD calculations allow to better understand the behaviour of the machine and the possible design directions to improve the performance and rangeability of the compressor. The last point developed is the design of an inlet guide vane to be positioned before the impeller, as an help in the regulation of the flow rate of the turbomachinery.

L’obiettivo di questa tesi è il design e l’analisi del componente più critico di un ciclo ad anidride carbona supercritica: il compressore centrifugo. In particolare, l’attenzione è posta sul compressore principale, che deve affrontare effetti connessi a gas reali e alla possibile insorgenza di flussi bifase, a causa della vicinanza al punto critico. I cicli ad anidride carbonica supercritica sono molto interessanti perché operare vicino al punto critico consente di avere alte densità e minore lavoro in compressione. In questo modo, il compressore deve elaborare un gas reale, mentre la turbina un gas. Questi aspetti rendono questi cicli superiori ai cicli a vapore per quanto riguarda migliore efficienza, dimensioni minori delle turbomacchine e minor complessità nel layout del ciclo. Inoltre, i cicli ad anidride carbonica supercritica sono molto flessibili e capaci di convertire efficientemente l’energia proveniente da diverse fonti, come combustibili fossili, nucleare e rinnovabili. La particolarità di operare vicino al punto critico determina non solo i punti di forza di questa applicazione, ma anche le debolezze. Quest’ultime sono connesse al compressore, il cui punto termodinamico d’ingresso è posto vicino al punto critico. Quindi, questa turbomacchina deve fronteggiare l’insorgenza di effetti legati a gas reali, flussi bifase e forti gradienti di capacità termica, con il rischio di condizioni transoniche o anche supersoniche. In questa tesi, è condotta una dettagliata analisi del compressore. Una volta definite le principali caratteristiche del ciclo, tramite una routine di ottimizzazione viene stabilito il punto termodinamico d’ingresso del compressore, il rapporto di compressione e la portata massica. In seguito, la geometria del compressore viene definita con un codice mean-line; simulazioni CFD consentono poi di capire meglio il comportamento della macchina e le possibili direzioni da sviluppare per migliorare la performance e la regolazione della macchina. L’ultimo punto analizzato è il design di un inlet guide vane posizionato prima dell’impeller, come aiuto nella regolazione della portata del compressore.