Sviluppo ed analisi aerodinamica di una sonda a testa emisferica

From the beginning of the turbo machinery development, the empirical research has been focused on the stationary e non stationary phenomena which characterized the turbo machine stream as the result to know the effects improving the global performances. The creation of the gas turbine is focused on the aerodynamic phenomena of compressible fluids through out the analysis of the sizes and the principles which regulate the shift from one regime to another. The gas turbines are planned with an approach that involves the complementary of both experimental and numerical methods. The random complexity of the fluid dynamic phenomena force the experimental way to become more accurate and certain also with the use of even more stable numerical codes. The use of pressure probes for the resolution of the flow field is preferable to less intrusive techniques, such as optical techniques, since it allows you to have an estimate of the losses and the actual direction of flow downstream of the turbine. The long experience of L.F.M (Laboratory of Fluid Dynamics of Machines) of the Energetic department of Politecnico di Milano has achieved remarkable results about the 3-D flow field direction downstream of turbine stage. The calibration and use of one hole pressure probe, which are little intrusive, but limited to 2-D analysis, have replaced nultiholes probes, unfit to the unsteady analysis, due to coupling between the forcing characterizing the phenomena of our study and the natural frequencies of the line-cavity system. This study focus on the conception and realization of a pneumatic pressure probe, suitable to the investigation of 3-D flow field downstream of arrays of gas turbines. The realization of this probe is essential, since the plant that will host it presents the geometric limits that prevent the use of any traditional multiholes probe because of the reduced space which has necessitated the construction of a brass cap dedicated. The main reason lies in the very small space available between the rotor and stator of the turbine (equal to 8mm), which has necessitated the construction of a dedicated probe. The use of a traditional 5-hole probe was excluded as main characteristic of this type of probes is important overall width; it presents a transverse dimension that they can not be inserted downstream stator stage object of the study. This component is the peculiar element of the cylindrical-spherical (CSP Cilindric Spheric Probe) and is characterized by a cylindrical geometry which ends with a hemispherical dome with a diameter of 1.8 mm. On this cap have been realized the two pressure hole with the diameter of 0.3 mm: the first stays at the base of the cap and the second placed at 30 ° on the zenith. From the two holes start two lines that both end with a conical cavity on which place the transducers high-frequency response. In the specific case this is the only limit of the mechanical type, or which level of miniaturization of the head and of the corresponding pressure sockets one is able to achieve. The study aspires to achieve the following specific goals: • The assembly of the CSP with 2 holes starting from the brass hat already made by third parties; • The measurement and analysis of the response time of the probe and transducers used; • The calibration of the static C.S.P; • The determination of the calibration coefficients and the subsequent matrices calibration plotting; • The verification of efficiency , and especially the uniqueness, the matrices calibration; • The validation of the results obtained by analysis of uncertainty. The achievement of each goals requires as the fulfilment of the previous ones. It is also essential an understanding of experimental approach methods and of the theoretical apparatus, that is necessary to determinate the characteristic coefficients and uncertainty’s analysis. It's easy to understand how it’s possible to perform the reverse operation reconstructing a 3D flow which characteristics are not known after that the parameters of calibration coefficient and the corresponding matrices have been defined (starting from a flow from the known characteristics). The first chapter briefly describes the flow in turbomachinery ducts, losses that you may incur, and finally the more traditional blade designs. It will be followed instead presented the different techniques of investigation of the flow field, with particular attention to the virtual multi-hole and multi-hole probes. After these first two introductory chapters will follow the description of the experimental apparatus and all its components. In the fourth chapter presents the procedures and results obtained in the calculation of the waiting time required for obtaining a correct acquisition. Determined the response time of the probe you can then proceed with the static calibration described in chapter five. The sixth and seventh chapters expose the verification procedure of calibration, with the relative error calculation on the magnitudes rebuilt, and the calculation of the uncertainty that plagues the measurands. Downstream of the thesis work reported here, to verify the goodness of operation of the probe, it will act on the rotor-stator channel thanks to the constructive feature that allows you to widen it; thanks to this property will be possible to insert inside a probe 5 holes whose results in the reconstruction of the flow will be compared with those of the probe 2 holes treated here.

Fin dagli albori dello sviluppo turbomacchinistico, la ricerca scientifica si è concentrata sulla comprensione dei fenomeni stazionari e non stazionari che caratterizzano il flusso nelle turbomacchine, al fine di meglio comprenderne gli effetti e migliorarne le prestazioni globali. La nascita delle turbine a gas ha spinto gli studi verso l’analisi dei fenomeni aerodinamici di fluidi comprimibili, analizzando le grandezze e le leggi che regolano il passaggio da un regime di moto all’altro. La progettazione delle turbine a gas ha quindi intrapreso un approccio costituito dalla complementarietà dei due metodi sperimentale e numerico. La complessità aleatoria dei fenomeni fluidodinamici, impone di non abbandonare la via della sperimentazione, ma bensì di renderla più precisa ed attendibile grazie all’ausilio di codici numerici sempre più stabili e completi. L’utilizzo di sonde di pressione per la risoluzione del campo di moto è preferibile rispetto a tecniche meno intrusive, come ad esempio tecniche ottiche, poiché consente di avere anche una stima delle perdite e della reale direzione del flusso a valle della turbina. Presso il Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine (L.F.M) del dipartimento di Energetica del Politecnico di Milano, è stata maturata una lunga esperienza nel settore delle sonde pneumatiche per l’indagine sulla direzione del campo di moto 3-D a valle di schiere di turbina (a gas o a vapore).
Dalle sonde multiforo, molto apprezzate per la loro capacità di ricostruire flussi tridimensionali in modo soddisfacente (ma inadatte a un’analisi instazionaria a causa dell’accoppiamento fra le forzanti caratteristiche dei fenomeni oggetto di studio e le frequenze naturali del sistema linea-cavità), si è passati alla taratura e all’utilizzo delle sonde di pressione ad un foro utilizzate come ‘multiforo virtuale’, poco intrusive ma limitate all’analisi 2-D. In questo studio è stata concepita, realizzata e caratterizzata una sonda pneumatica di pressione multiforo virtuale. In particolare si tratta di una sonda a due fori atta all’indagine del campo di moto 3D a valle di schiere di turbine a gas. La realizzazione di questa sonda è indispensabile, poiché l’impianto che dovrà ospitarla presenta dei limiti geometrici che impediscono l’uso di una qualsiasi sonda tradizionale multiforo. Il motivo principale consiste nel ridottissimo spazio a disposizione tra rotore e statore della turbina (pari a 8mm), il quale ha reso necessaria la costruzione di una sonda dedicata. L’utilizzo di una sonda tradizionale a 5 fori è stato escluso a priori in quanto caratteristica principale di questo tipo di sonde è lo sbraccio a ‘L’ che porta i capillari alle prese di pressione; questo sbraccio per quanto può essere ridotto presenta comunque un ingombro trasversale tale da non poter essere inserito a valle della schiera statorica oggetto dello studio. Il componente principale della sonda multiforo virtuale qui trattata è rappresentato dall’elemento sensibile della sonda cilindrico-sferica (C.S.P., Cilindric Spheric Probe), ed è caratterizzato da una testina in ottone, avente geometria cilindrica, che termina con una calotta emisferica del diametro di 1,8mm. Su questo cappuccio sono state quindi realizzate le due prese di pressione dal diametro di 0,3mm: la prima alloggiata alla base della calotta e la seconda posizionata a 30° sullo zenit. Nel caso specifico l’unico limite presente è di tipo meccanico, ovvero quale livello di miniaturizzazione della testina e delle relative prese di pressione si è in grado di raggiungere. Il lavoro qui presentato si propone come obiettivi specifici: • L’assemblaggio della C.S.P a 2 fori partendo dal cappello in ottone appositamente progettato e realizzato; • La misura e l’analisi dei tempi di risposta (e quindi dei tempi di attesa in fase di acquisizione) della sonda e dei trasduttori utilizzati; • La calibrazione statica della C.S.P; • La determinazione dei coefficienti di taratura e la successiva rappresentazione grafica delle matrici di taratura; • La verifica della bontà, e in particolar modo della univocità, delle matrici di taratura; • La validazione dei risultati ottenuti mediante analisi d’incertezza. Il raggiungimento di ciascun obiettivo prevede come pre-requisito il soddisfacimento di quelli precedenti; è inoltre indispensabile una conoscenza di base dei metodi di approccio sperimentale e dell’apparato teorico necessario nella fase di determinazione dei coefficienti caratteristici e di analisi dell’incertezza. È facilmente comprensibile come, una volta determinati i coefficienti di taratura e definite le relative matrici (partendo da un flusso dalle caratteristiche note) sarà possibile eseguire l’operazione inversa, ovvero ricostruire un flusso 3D di cui non sono note le caratteristiche. Il primo capitolo descrive sinteticamente il flusso in condotti di turbomacchine, le perdite in cui si può incorrere ed infine i disegni di pala più tradizionali. A seguire verranno invece presentate le diverse tecniche di indagine del campo di moto, con particolare attenzione alle sonde multiforo e multiforo virtuali. Dopo questi primi due capitoli introduttivi seguirà la descrizione dell’apparato sperimentale e di tutti i suoi componenti. Nel capitolo quarto sono presentate le procedure ed i risultati ottenuti nel calcolo dei tempi di attesa necessari all’ottenimento di una corretta acquisizione. Determinati i tempi di risposta della sonda si può quindi procedere con la calibrazione statica descritta nel capitolo quinto. Il sesto ed il settimo capitolo espongono la procedura di verifica della taratura, con il relativo calcolo dell’errore sulle grandezze ricostruite, e il calcolo dell’incertezza che affligge i misurandi. A valle del lavoro di tesi qui riportato, per verificare la bontà di funzionamento della sonda, si agirà sul canale rotore-statore grazie alla caratteristica costruttiva che consente di allargarlo; grazie a questa proprietà sarà possibile inserire al suo interno una sonda 5 fori i cui risultati nella ricostruzione del flusso saranno confrontati con quelli della sonda 2 fori qui trattata.