Disegno e modellazione CFD di schiere per turbina centrifuga

The goal of this thesis is to define the blade geometries suitable for application in an innovative transonic centrifugal turbine working with organic fluid, preliminary designed with 1D techniques and a throughflow code. Regarding the definition of blades profiles, no studies are found in literature for this kind of turbomachinery and the present represents a first approach to this class of machines intended to provide basic information for further analyses and systematic optimization. Numerical simulations on blade to blade surfaces and fully three-dimensional calculations have been performed by applying a CFD software. Profiles typical for axial turbines, available in literature, alongside with specially designed ones, with circular or elliptical midline, have been analysed. In order to realize such profiles automatic or semi-automatic procedures have been developed. Parametrical and off-design studies of the cascade have been performed. Results have shown that elliptical midline profiles provide the best performances and that, regarding the discharge angle, the ratio between the throat and the pitch should be adopted in design phase (modified by considering the profile curvature on the suction side downstream of the throat). Moreover the downstream angle is heavily influenced by three-dimensional phenomena which remain hidden in blade to blade analyses and will be objects of further analyses and studies.

Con il presente lavoro di tesi si è voluto indagare quali fossero le geometrie di profili adeguate per una turbina centrifuga transonica di nuova concezione a fluido organico, disegnata a livello preliminare con tecniche monodimensionali e un codice meridiano. Relativamente alla definizione delle palettature, non sono disponibili in letteratura studi effettuati su questo tipo di turbomacchina e il presente lavoro rappresenta quindi il primo approccio a queste problematiche. Esso intende fornire informazioni basilari per analisi più approfondite ed ottimizzazioni sistematiche. Attraverso simulazioni numeriche, nel piano blade to blade e tridimensionali, effettuate con un codice CFD, si sono analizzati profili sviluppati per turbine assiali, disponibili in letteratura, e profili realizzati appositamente per l’applicazione in esame, caratterizzati da linea media ad arco di cerchio e di ellisse. Per il disegno di tali profili si sono sviluppate procedure automatiche o semiautomatiche. Si sono effettuate un’ analisi parametrica delle configurazioni di schiera e analisi di comportamento off-design. Il lavoro ha messo in evidenza come siano più performanti profili con linea media ad arco di ellisse e che il loro progetto, nella parte terminale, debba basarsi sul rapporto corda/passo e sulla curvatura del lato in depressione nel tratto semi-palettato. L’angolo cinematico a valle è pesantemente influenzato da fenomeni tridimensionali che non si evidenziano in analisi effettuate nel piano blade to blade, che saranno oggetto di analisi e studi successivi.