CFD-based choking prediction model for a supercritical carbon dioxide centrifugal compressor

Global interest in supercritical carbon dioxide (sCO2) power systems has grown over the past decade, driven by an increasing number of scientific publications and dedicated international conferences. These systems offer a promising alternative for stationary power generation, potentially outperforming conventional Rankine and Brayton cycles in both efficiency and compactness. The primary advantage of sCO2 cycles lies in performing the working fluid compression in the vicinity of its critical point. In this region, the fluid exhibits a liquid-like density and a vapour-like viscosity, significantly reducing the compression work and thereby enabling high cycle efficiencies. In addition, the high density allows for the design of compact turbomachines and heat exchangers, drastically reducing the plant size. Thanks to their flexibility, sCO2 power systems can be coupled with a wide range of heat sources, including nuclear energy, concentrated solar power, industrial waste heat recovery, and advanced combustion systems with integrated carbon capture, thereby representing a pivotal technology for energy transition. Despite these advantages, significant technical challenges remain in designing reliable turbomachines. Centrifugal compressors, commonly employed in sCO2 power systems, must operate in conditions with steep variations of fluid thermophysical properties, posing significant challenges to their aerodynamic and structural design. Moreover, under off-design conditions, local flow accelerations near the compressor inlet may induce phase change phenomena. The resulting two-phase flow degrades aerodynamic performances, reducing efficiency and limiting the operating range. In this context, this thesis focuses on the investigation of the impact of compressor geometric features on machine rangeability, an aspect that has been overlooked in previous studies. The results provide critical insights into the complex and detrimental interplay between fluid-dynamic mechanisms, real-gas thermodynamics, and geometry-induced effects that limit the operating range of sCO2 centrifugal compressors and contribute to improving their design for industrial turbomachinery applications.

L’interesse globale per i sistemi energetici ad anidride carbonica supercritica (sCO2) è aumentato nell’ultimo decennio, come dimostrano il crescente numero di pubblicazioni scientifiche e conferenze internazionali dedicate. Questi sistemi rappresentano un’alternativa promettente per la generazione stazionaria di energia, offrendo il potenziale di superare i cicli Rankine e Brayton convenzionali in efficienza e compattezza. Il loro principale vantaggio consiste nel comprimere il fluido in prossimità del suo punto critico, dove una densità simile allo stato liquido e una viscosità simile al vapore riducono il lavoro di compressione, garantendo elevati rendimenti di ciclo. Parallelamente, l’elevata densità permette di progettare turbomacchine e scambiatori di calore compatti, riducendo le dimensioni dell’impianto. Grazie alla loro flessibilità, i sistemi a sCO2 possono essere alimentati da diverse fonti di calore, come energia nucleare, solare a concentrazione, recupero di calore industriale e sistemi di combustione avanzata con cattura integrata della CO2, rappresentando quindi una soluzione di rilievo per la transizione energetica. Nonostante questi vantaggi, permangono sfide tecniche nella progettazione di turbomacchine affidabili. I compressori centrifughi, spesso impiegati in tali sistemi, operano in condizioni caratterizzate da forti variazioni delle proprietà termofisiche del flusso, che ne complicano la progettazione. Inoltre, in condizioni di off-design, accelerazioni locali del flusso in ingresso possono innescare cambiamenti di fase che degradano le prestazioni aerodinamiche della macchina, limitandone l’efficienza ed il range operativo. In tal contesto, la presente tesi si concentra sull’analisi dell’influenza delle proprietà geometriche del compressore sull'estensione del suo campo operativo, un aspetto finora trascurato in letteratura. I risultati forniscono un apporto fondamentale alla comprensione della complessa e dannosa interazione tra meccanismi fluidodinamici, termodinamica dei gas reali ed effetti geometrici, contribuendo al miglioramento dei criteri di progettazione in ottica industriale.