Messa a punto di un banco prova per turbine assiali ed analisi dell'incertezza di misura nella ricostruzione del campo di moto 3D

The world energy context is characterized by an increasing demand for energy, which is often combined with an unceasing rise in the price of fossil and nuclear fuels, thus it is important to find methods and strategies that can produce energy in more efficient ways. Gas and steam turbines still play a dominant role, but the above-mentioned factors force researchers to make a huge effort to reach the highest efficiency which can be achieved by means of numerical models and experimental tests. Research is mainly interested in the study of complex fluid dynamic phenomena that occur within turbomachinery, in the interaction between rotors and stators, in the secondary flows and the most innovative three dimensional blades, all that in order to improve the fluid dynamics efficiency. The aim of this thesis work is the development of a plant to test the complete stages of axial gas and steam turbines fully developed and implemented in the laboratory of fluid-dynamics of machines “LFM” of Politecnico di Milano. At the beginning of the work itself, the plant had some problems, both from the mechanical and the fluid-dynamics points of view, so we improved it as adding new components in order to evaluate with great accuracy the variables, like the flow rate, which were before was of poor interest; the aim was to determine the performance of turbine in the various stages of the project. This another target of this work was the analysis of the device of investigation of the field of motion, in the specific case the “5-hole pneumatic probe”, to evaluate accuracy and dynamic properties of those instruments by means of analysis of both theoretical and experimental uncertainty. therefore this work places itself as a base for further more accurate studies on rotor and stator axial stages of gas and steam turbines in order to evaluate the best performance

Il contesto energetico mondiale attuale è caratterizzato da una richiesta di energia sempre crescente, congiunta ad un aumento continuo del prezzo dei combustibili fossili e nucleari; questa situazione porta sempre in maggiore rilevanza i metodi e le strategie di produzione dell’energia più efficienti. In questo panorama le turbina a vapore e a gas occupano tutt’ora una posizione predominante, ma le condizioni sopra citate spingono la ricerca in un enorme sforzo all’inseguimento del massimo rendimento possibile; sia con modelli numerici che con prove sperimentali. L’interesse attuale è soprattutto spinto verso lo studio dei complessi fenomeni fluidodinamici che avvengono all’interno delle turbomacchine, delle interazioni tra statori e rotori, dei flussi secondari e delle geometrie delle pale più innovative e fortemente tridimensionali; il tutto al fine di migliorare il più possibile i rendimenti fluidodinamici. Scopo di questo lavoro di tesi è quello della messa a punto di un impianto per la prova di stadi completi di turbine assiali interamente sviluppato e realizzato all’interno del Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine “LFM” del Politecnico di Milano. L’impianto come presente all’inizio del lavoro stesso presentava alcune criticità e possibili miglioramenti, sia dal punti di vista meccanico sia dal punti di vista fluidodinamico; si è quindi proceduti ad apportare importanti migliorie, nonché all’aggiunta di nuovi componenti per valutare con precisione grandezze che prima erano di scarso interesse come la portata fluente, al fine di determinare al meglio il rendimento degli stadi che verranno testati. Il lavoro si è anche posto come obiettivo quello di analizzare i dispositivi di indagine del campo di moto, nel caso specifico una sonda pneumatica di pressione a 5 fori per valutarne l’accuratezza e le caratteristiche dinamiche, e ciò è stato fatto mediante un’analisi dell’incertezza sia di tipo teorico che di tipo sperimentale. Questo lavoro quindi si pone come base per effettuare studi maggiormente approfonditi ed accurati sulle schiere rotoriche e statoriche di turbine al fine di valutare le prestazioni migliori.