Axial compressor design through 1D model and derivative-free optimization algorithm

In the context of the energy transition and with the advancement of carbon capture and storage technologies, turbomachinery design is becoming increasingly crucial. New power plant schemes require turbomachines optimized to handle different thermodynamic conditions and working fluids. This raises the challenge of designing new machines that requires different design measures from those used in conventional air applications. Thus, the aim of this research is to develop an approach capable of identifying the most efficient axial compressor configuration starting from operational specifications such as working fluid, mass flow rate and compression ratio. At the core of the study lies a one-dimensional axial compressor model which, starting from midspan design, extends the evaluation of thermofluid-dynamic parameters to the blade tip and hub, thereby providing a simplified but reliable performance estimate of the compressor. This model is integrated with the ’black-box’ optimization algorithm PGS-COM, which does not require objective function derivatives and bases each iteration on the isentropic efficiency value returned by the compressor model. The developed methodology is initially applied to a single-shaft compressor taking as a reference gas turbines for power generation operating with air. The application of the two integrated algorithms results in a configuration that achieves performance levels comparable to those of air compressors used in H-class gas turbines. The approach is then extended to two oxy-fuel combustion cycles configurations: a single-shaft and a twin-shaft axial compressors, optimized for carbon dioxide as working fluid. The analysis of the oxy-fuel combustion cases reveals that, with a tailored carbon dioxide design, efficiency levels equal to or even greater than those of air compressors can be achieved, emphasizing the importance of bespoke turbomachinery design for SCOC-CC cycles. These findings provide a strong incentive for further development in the design of compressors dedicated to such applications, leveraging increasingly advanced and detailed computational models.

Nel contesto della transizione energetica e con il progredire delle tecnologie di cattura e stoccaggio di anidride carbonica, il ruolo delle turbomacchine diventa sempre più cruciale. L’adozione di nuovi schemi di centrali necessita di turbomacchine adeguate alle diverse condizioni termodinamiche e ai diversi fluidi di lavoro utilizzati. Si pone, quindi, il problema della progettazione ex-novo di macchinario che richiede accorgimenti progettuali diversi da quelli impiegati nei casi ad aria. Lo scopo di questa ricerca è quello di proporre un metodo capace di ricavare la più efficiente configurazione di compressori assiali una volta assegnate le specifiche di funzionamento quali fluido di lavoro, portata massica e rapporto di compressione. Le prestazioni di ciascuno stadio del compressore vengono valutate tramite un modello monodimensionale che partendo dalla progettazione in corrispondenza della linea media estende la valutazione dei parametri termo-fluidodinamici in corrispondenza dell’apice della pala e del mozzo, restituendo una stima semplificata ma affidabile delle prestazioni del compressore. Tale modello è integrato al metodo di ottimizzazione ’black box’ PGS-COM. L’ottimizzatore prescinde dall’uso di derivate e valuta la singola iterazione sulla base del valore di efficienza isentropica restituito dal modello del compressore. Questa metodologia viene applicata inizialmente ad un compressore monoalbero di turbina a gas per applicazioni stazionarie ad aria. I risultati mostrano che l’integrazione dei due algoritmi produce configurazioni allineate alle prestazioni di compressori di turbine a gas di classe H. Il medesimo approccio viene esteso a due casi ad ossi combustione (SCOC-CC) mono e bi-albero che processano un fluido la cui componente principale è l’anidride carbonica. Dai risultati relativi ai casi ad ossi combustione si evince come, con una progettazione specificamente orientata alla CO2, sia possibile ottenere livelli di efficienza uguali o addirittura superiori rispetto ai compressori per aria, confermando l’importanza di una progettazione ad hoc per i cicli SCOC-CC. Questi risultati rappresentano un incentivo per il futuro approfondimento della progettazione di compressori dedicati a tali applicazioni, mediante modelli di calcolo sempre più avanzati e dettagliati.