Modellazione del contatto nel comportamento dinamico di palette di turbina

The purpose of this work is to study the contact influence between shrouds on the dynamic behaviour of turbine blades. In the first part a lumped-parameter model for the numerical analysis of a test rig for experimental tests is developed. This simplification is necessary to be able to carry out a analysis of the model sensitivity to the parameters. This analysis cannot be performed through the use of finite elements due to the complexity of the problem, the presence of non-linearities and the excessive resources of time and computation required to perform the study. By means of numerical integration over time of the model equations it is possible to draw the dynamic behavior of the system and the time evolution of all peculiar quantities (displacements, velocities, accelerations, forces, stiffness, damping). This allows to save resources in terms of time and computational cost, thanks to the short duration of the simulations. Several numerical simulations in different functioning conditions to verify the model behaviour are presented. In the second part of the work a contact element to be placed between blades shroud in fem analysis is developed, with the purpose to assign the wanted stiffness and damping to the contact. This element is used in linear analysis (modal and harmonic), in which the characteristics of the contact are lost. The method for calculating contact parameters and its validation with numerical tests are then presented. Finally, experimental tests on FEM models of blades and blades row with the contact pad applied are performed.

Col presente lavoro si intende studiare ed approfondire l’influenza del contatto tra le piattine sul comportamento dinamico delle palette di turbina. Nella prima parte viene sviluppato un modello a parametri concentrati per l’analisi numerica di un test rig per prove sperimentali, di cui si vuole conoscere il comportamento dinamico. Tale semplificazione è necessaria per poter effettuare un’analisi di sensibilità ai parametri, impossibile da eseguire attraverso l’uso degli elementi finiti, a causa dell’elevata complessità del problema, delle non linearità presenti e delle ingenti risorse di tempo e calcolo richieste per effettuare lo studio. Tramite l’integrazione numerica nel tempo delle equazioni del modello è possibile ricavare il comportamento dinamico del sistema e l’andamento nel tempo di tutte le grandezze caratteristiche (spostamenti, velocità, accelerazioni, forze, rigidezze, smorzamenti), risparmiando in termini di costo computazionale e temporale, grazie alla breve durata delle simulazioni. Sono inoltre presentate alcune simulazioni numeriche, in diverse condizioni di funzionamento, ad esempio del comportamento del modello. Nella seconda parte del lavoro viene sviluppato un elemento di contatto da interporre tra le piattine delle palette in analisi con elementi finiti. Questo permette di assegnare al contatto le caratteristiche di rigidezza e smorzamento desiderate durante analisi lineari (modali e armoniche), nelle quali queste caratteristiche andrebbero perse. Viene quindi presentato il metodo per il calcolo dei parametri caratteristici dell’elemento e la sua validazione con prove numeriche. Infine vengono effettuate prove sperimentali su modelli FEM di palette e di schiere di palette in cui è applicato l’elemento.