Radial turbine preliminary design and component sizing

The expansion unit is a critical component in the cost and efficiency of a system for energy conversion, the purpose of this work is to develop a preliminary design for a radial inflow turbine (RIT), based on input parameters from the cycle (Inlet temperature and pressure, Pressure ratio, mass flow and specific speed) using a 1D methodology to generate the main geometric parameters for the stage components and estimate the flow losses during the expansion process, calculating the turbine performance to reach a preliminary design at nominal conditions of maximum efficiency. The work is develop following two different methodologies for creating the preliminary design, the mean-line models are developed in MATLAB®, to obtain a fast tool to make design choices using different scenarios and verify how can affect the efficiency and size of the radial turbine. The second part analyze the off-design behavior for the calculated geometry, to estimated how the losses are affected with the variation of the initial conditions and how these variations will change turbine performance.

La turbina è un componente cruciale per un sistema per la conversione dell'energia e ne condiziona costo ed efficienza. Lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare una stima di un progetto preliminare per una turbina radiale, basato sui dati di ingresso (temperatura e pressione in ammissione, rapporto di espansione, portata massica, velocità specifica) utilizzando una metodologia 1D per determinare i principali parametri geometrici per i componenti dello stadio. La procedura è capace di stimare altresì le perdite fluidodinamiche durante il processo di espansione, calcolando le prestazioni della turbina sulla base di un design preliminare per le condizioni nominali di massima efficienza. Il lavoro si sviluppa seguendo due diverse metodologie per la definizione del design preliminare: i modelli mean-line sono sviluppati in ambiente MATLAB® per ottenere uno strumento veloce per effettuare scelte di design ed adottando diversi scenari per verificare come questi possono influenzare l'efficienza e le dimensioni della turbina radiale. La seconda parte del lavoro analizza nel dettaglio il comportamento off-design per la geometria calcolata in via preliminare, con l’obiettivo di stimare come le perdite incidono sulle prestazioni della turbina, sulla base della variazione delle condizioni operative di funzionamento.