Design and Performance Analysis of Reversible Axial Turbomachinery for Pumped Thermal Energy Storage Applications

In this thesis a method to design and to analyse axial reversible turbomachinery is presented. Reversible turbomachinery can act both as a compressor or as a turbine, depending on the flow direction. Their application is intended for a Pumped Thermal Energy Storage system (PTES), which exploits a closed reversible Brayton cycle. The utilization of reversible machines allows the simplification of the plant and a potential cost reduction. Aim of this thesis is twofold: at first, accomplish a preliminary design of this unconventional machine through a purposely developed meanline method, and then check the meanline validity through computational fluid-dynamics (CFD) simulations. Taking a reference PTES with a charge net power of 10 MW, the design of the compressor mode, which is the most critical operating mode, is obtained through a meanline code, followed by the analysis of the turbine mode. Codes are validated through full three-dimensional CFD simulations. It was found that the integral compressor performance deviate from the meanline prediction by 1%, while significant errors were found when comparing the turbine operation. Given the different fluidynamic between the two modes, the turbine mode exhibits negative incidences on all cascades, which combines with the small flow deflection imposed by the compressor mode and results in poor predictive capabilities of the meanline approach and in low efficiencies. Different working fluids and machine architectures were tested. Argon increases the costs for the heat exchangers, but it allows a lower pressure ratio, therefore a lower number of stages with respect to nitrogen. Pressure ratio for the charge mode is 2.08, compared to 2.95 for nitrogen, while for discharge mode is 2.35, compared to 3.33 for nitrogen, allowing 8 stages for the argon machines, while 12 for the nitrogen ones. The machine architecture with inlet and outlet guide vanes exhibits higher efficiency and a much simpler design with respect to the machine composed by only rotors and stators. Compressor isoentropic efficiency for charge and discharge mode resulted 89.6% and 84% for argon, while 86.7% and 84.9% for nitrogen. Turbine modes were analysed using the same mass flow rate, but the target outlet pressure could not be reached due to the excessive negative incidence, which made turbine rotors act as compressor ones. Nevertheless, argon machines exhibited lower incidence and higher expansion ratio.

In questa tesi un metodo per progettare e analizzare turbomacchine assiali reversibili è presentato. Le turbomacchine reversibili possono funzionare sia come compressore che come turbina, in base alla direzione del flusso. La loro applicazione è intesa per un sistema Pumped Thermal Energy Storage (PTES), che sfrutta un ciclo Brayton chiuso e reversibile. L'utilizzo di macchine reversibili permette la semplificazione dell'impianto e una potenziale riduzione dei costi. L'obiettivo di questa tesi è doppio: innanzitutto realizzare un progetto preliminare di queste macchine non convenzionali attraverso un approccio alla linea media appositamente sviluppato, successivamente verificare la validità del metodo usato tramite simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD). Prendendo come riferimento un PTES con potenza netta in carica di 10 MW, il progetto della modalità compressore, la modalità più critica, è ottenuto tramite un codice alla linea media, seguito dall'analisi della modalità turbina. I codici sono stati validati tramite simulazioni CFD 3D. È risultato che le performance integrali del compressore deviano da quelle predette dal codice dell'1%, mentre errori significativi sono risultati comparando la modalità turbina. La modalità turbina mostra incidenza negativa su tutte le schiere, che si combina alla piccola deflessione imposta dalla modalità compressore, e risulta in scarse capacità predittive dell'approccio alla linea media e a basse efficienze. Diversi fluidi di funzionamento e diverse architetture delle macchine sono stati testati. Argon aumenta il costo per gli scambiatori di calore, ma permette un minore rapporto di compressione e quindi un minore numero di stadi rispetto all'azoto. Il rapporto di compressione in carica è di 2.08, rispetto a 2.95 per azoto, mentre per la scarica è 2.35 rispetto a 3.33 per azoto, permettendo 8 stadi per le macchine ad argon, mentre 12 per quelle ad azoto. Le macchine con palette direttrici all'inlet e all'outlet mostrano una maggiore efficienza e una costruzione più semplice rispetto alle macchine composte da soli rotori e statori. Efficienza isoentropica di compressione per carica e scarica è risultata 89.6% e 84% per argon, mentre 86.7% e 84.9% per azoto. Le modalità turbina sono state analizzate usando la stessa portata, ma la pressione obiettivo in uscita non è stata raggiunta a causa dell'eccessiva incidenza negativa, che ha portato i rotori ad agire come compressori. Ciononostante, le macchine ad argon hanno mostrato minore incidenza e un più alto rapporto di espansione.