Meanline design of a regenerative flow compressor with forward-bladed impeller and semi-circular side channel

This thesis presents the development, implementation, and validation of a compressible meanline design framework for single-stage regenerative flow compressors featuring semi-circular side channels and forward-bladed impellers. The work was conducted in collaboration with ASCO Pompe S.r.l. and addresses the need for a practical, physics-based A design tool that can predict pressure rise, isentropic efficiency, and absorbed power across the full operating envelope of industrial regenerative blowers. The core of the framework is a quasi-one-dimensional helical marching algorithm that solves a nonlinear ordinary differential equation (ODE) for the circulatory velocity Vc, governing the toroidal momentum exchange between the rotating impeller and the stationary side channel. The circulatory-velocity ODE is coupled, at every marching step, with an entropy-based inner-loop closure for the rotor discharge and with a modular loss architecture comprising eight distinct dissipation mechanisms: incidence loss, internal blade-passage friction, external torus friction (radial and tangential components), channel turning loss, blade turning loss, mixing losses (channel-side and blade-side), and sudden expansion loss. The iterative coupling between the Vc evolution and the velocity-dependent losses is resolved through under-relaxed fixed-point convergence with oscillation damping. The machine geometry is parameterized using dimensionless ratios derived from established similarity criteria. A lightweight inverse-design wrapper selects these ratios by matching the meanline-predicted compression ratio to the design target through a bounded random search with adaptive scaling. The blade outlet angle β2g and the stripper angle Qstripper are determined separately via a dedicated design-point and performance map. sweeps, decoupling the angular optimization from the ratio-convergence procedure. The framework was applied to two machine sizes. A first-generation design (P1, R2 = 0.27 m) achieves the target pressure rise of 350 mbar at a volumetric flow rate of 500 m³/h. and 2900 rpm, with a predicted total-to-total efficiency of approximately 39%. A manufactured prototype (P2, R2 = 0.179 m) meets a reduced target of 200 mbar at 150 m³/h. with an efficiency of approximately 33%. The successful application of the identical code to both scales confirms the scalability of the dimensionless design methodology. A detailed loss-component analysis reveals that blade turning loss is the dominant dissipation mechanism, followed by incidence and internal friction. Two loss terms, channel turning and blade mixing, are found to vanish across the full operating range because The present geometry falls outside the calibrated domain of the adopted polynomial correlations. This limitation, along with the coarse helical discretization (approximately six marching steps per revolution), defines the primary directions for future model refinement. The P2 prototype awaits experimental validation.

Questa tesi presenta lo sviluppo, l’implementazione e la validazione di un framework di progettazione meanline comprimibile per compressori rigenerativi a flusso monostadio con canali laterali semicircolari e giranti a pale inclinate in avanti. Il lavoro è stato condotto in collaborazione con ASCO Pompe S.r.l. E risponde alla necessità di uno strumento di progettazione pratico e basato sulla fisica, in grado di prevedere l’incremento di pressione, l’efficienza isentropica e la potenza assorbita sull’intero inviluppo operativo di soffianti rigenerative industriali. Il cuore del framework è un algoritmo quasi unidimensionale di marcia elicoidale che ri- solve un’equazione differenziale ordinaria (ODE) non lineare per la velocità circolatoria Vc, che governa lo scambio di quantità di moto toroidale tra la girante rotante e il canale Laterale stazionario. L’ODE della velocità circolatoria è accoppiata, ad ogni passo di mar- cia, con una chiusura basata sull’entropia per lo scarico del rotore e con un’architettura modulare delle perdite che comprende otto distinti meccanismi dissipativi: perdita per incidenza, attrito interno nei passaggi palari, attrito esterno nel toro (componenti ra- diale e tangenziale), perdita per curvatura del canale, perdita per curvatura delle pale, Perdite per mescolamento (lato canale e lato pala) e per espansione improvvisa. L’accoppiamento iterativo tra l’evoluzione di Vc e le perdite dipendenti dalla velocità è risolto mediante convergenza a punto fisso sotto-rilassata, con smorzamento delle oscill- lazioni. La geometria della macchina è parametrizzata mediante rapporti adimensionali derivati da criteri di similitudine consolidati. Un leggero involucro di progettazione inversa seleziona tali rapporti, facendo corrispondere il rapporto di compressione predetto dal meanline al valore di progetto mediante una ricerca casuale limitata con scalatura adattiva. L’angolo di uscita della pala β2g e l’angolo dello stripper Qstripper vengono determinati separata- mente tramite sweep dedicati al punto di progetto e alle mappe di prestazione, disaccopp- Piando l’ottimizzazione angolare nella procedura di convergenza dei rapporti geometrici. Il framework è stato applicato a due dimensioni della macchina. Un progetto di prima generazione (P1, R2 = 0,27 m) raggiunge l’incremento di pressione obiettivo di 350 mbar a una portata volumetrica di 500 m³/h e 2900 rpm, con un’efficienza totale prevista di circa 39%. Un prototipo fabbricato (P2, R2 = 0,179 m) soddisfa un obiettivo ridotto di 200 mbar a 150 m³/h, con un’efficienza di circa il 33%. L’applicazione dello stesso codice a entrambe le scale conferma la scalabilità della metodologia di progettazione adimensionale. Un’analisi dettagliata delle componenti di perdita rivela che la perdita per curvatura delle pale è il meccanismo dissipativo dominante, seguita dall’incidenza e dall’attrito in- terno. Due termini di perdita—curvatura del canale e mescolamento delle pale—risultano nulli sull’intero intervallo operativo poiché la geometria attuale ricade al di fuori del do- Minio calibrato delle correlazioni polinomiali adottate. Questa limitazione, insieme alla discretizzazione elicoidale grossolana (circa sei passi di marcia per giro), definisce le prin- Cipali direzioni per il perfezionamento futuro del modello. Il prototipo P2 attende la convalida sperimentale.