Progetto, calcolo fluidodinamico e verifica sperimentale di una microturbina ad aria compressa di nuova concezione

In this Thesis a revision of the structural design and an aerodynamic optimization, through a CFD code, have been made on a new-concept, air-pressure driven micro-turbine. The aim of the study is to enhance significantly the performance of an initial prototype developed by the promoter of the conceptual design, namely the Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) in Genova. At first an experimental analysis was performed on the available prototype, in which a number of technical problems were identified as causes of significant performance reduction of the micro-turbine. A dedicated study of the whole available turbine layout was performed, covering both the concept and the manufacturing process, and including the structural and aerodynamic design; as a result, precise guidelines for optimization were highlighted. At first a new bearing technology was selected, to improve primarily the duration of life to the end of the product and to allow an increase of the design rotational speed with respect to the available prototype. Furthermore some mechanical problems, connected to the misalignments observed in the experiments, were solved by a complete re-design of all components of the entire turbine layout. Finally a relevant increase in aerodynamic performance was achieved by applying a CFD model for the re-design of the stator and rotor profile of the micro-turbine, finding an optimal compromise between the efficiency and the targets. The overall improvement suggested by the CFD calculations is of the order of 20% in terms of total-static efficiency. This promising result will be soon verified in dedicated tests, when the manufacturing process of the prototype designed in this Thesis will be completed.

Nel presente lavoro di Tesi è stata compiuta una revisione meccanico-strutturale e un’ottimizzazione fluidodinamica, tramite un software CFD, di una micro-turbina ad aria compressa di nuova concezione, col fine di migliorare in maniera sostanziale il prototipo sviluppato dal promotore dell’invenzione, ovvero l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova. Sono stati inizialmente analizzati i primi prototipi e, attraverso prove sperimentali svolte sugli stessi, sono state individuate alcune problematiche molto penalizzanti per le prestazioni della micro-turbina. Un’attenta valutazione dell’intera struttura prototipale inizialmente disponibile, dal disegno progettuale all’effettiva realizzazione, coinvolgendo sia la parte puramente meccanica che quella fluidodinamica, ha permesso di capire come intervenire per migliorare il comportamento della macchina. Si è preso in considerazione l’utilizzo di una nuova tecnologia di cuscinetti volventi per incrementare la vita a termine del prodotto e per consentire di incrementare la velocità di rotazione del rotore fino a livelli non sostenibili dal modello utilizzato in precedenza; si è inoltre cercato di risolvere problematiche di natura meccanica, legate alle difficoltà di allineamento dei componenti ed emerse durante i test, riprogettando tutti i componenti costituenti il corpo turbina. Infine sono state significativamente incrementate le prestazioni fluidodinamiche, sulla base di simulazioni CFD per mettere in evidenza quale fosse la soluzione costruttiva ideale che permettesse di coniugare al meglio prestazioni e target richiesti. Il miglioramento previsto dalle stime teoriche è dell’ordine di 20 punti percentuali sul rendimento, e verrà a breve verificato sul “campo” non appena sarà terminata la fase di realizzazione del prototipo proposto in questo lavoro.