Progettazione e simulazione CFD di schiere di turbina operanti in regime di gas denso

The goal of this Thesis is to design cascades for a innovative transonic centri- fugal turbine, working with organic fluid. The machine layout was prelimi- narily defined with 1D techniques, throughflow code and a first guess blade shape desing. This kind of fluids are difficult to model specially in regions where the real gas effect is stronger. So an appropriate thermodynamic mo- del based on the Look-Up-Table (LUT) approach is developed within this Thesis. Initially a script has been created to generate the tables containing the fluid properties, using the thermodynamic library FluidProp R after that the ;tables have been combined with a commercial CFD code by a particular input file template, defined by the software. The thermodynamic model has been validated by the comparison of two test cases with the same numerical steup, the first one obtained with the perfect gas equations and the other one with the LUT approach. The CFD simulations led to similar results and so the model was validated. After, using this new tool, parametrical optimizations have been performed on the cascade of the first and the sixth stator of the turbine. Moreover the basis for a future study about the first rotor have been thrown, defining a new law of thicknesses for the blade profile. Finally an optimized configuration of a supersonic blade profile, for an axial organic fluid turbine was tested with a CFD code. The performance improvement provided by the blade, which resulted from an inviscid design process, was assessed also in case of turbulent flows, using the same thermo- dynamic model based on LUT approach.

Questo lavoro di tesi ha per scopo il progetto di palettature per una tur- bina centrifuga transonica a fluido organico, il cui comportamento non è sempre descrivibile per mezzo di modelli termodinamici semplificati. Infat- ti data l’ascesa di impianti di tipo O.R.C., si ha la necessità di progettare turbomacchine sempre più performanti con questi fluidi, sviluppando di con- seguenza codici CFD capaci di risolvere il flusso al loro interno. Da qui il bisogno di sviluppare modelli termodinamici accurati e affidabili, con tempi di calcolo accettabili. In questo elaborato si è introdotto un approccio per la modellazione termodinamica di fluidi organici basato sull’utilizzo di ta- belle termodinamiche (denominato nel seguito approccio Look-Up-Tables, o LUT). Il primo passo è stato quello di generare le tabelle termodinamiche da poi interfacciare con il solutore fluidodinamico. Si è creato un codice in grado di creare, utilizzando la libreria termodinamica FluidProp R , un file di input per un solutore CFD commerciale, contenente le tabelle con le proprietà termo- dinamiche e di trasporto, con un determinato formato imposto dal software stesso. Al fine di validare il modello si sono condotte due simulazioni flui- dodinamiche relative all’ultimo stadio di turbina per il quale le condizioni operative sono tali da permettere di usare sia un modello basato sulle equa- zioni di stato di gas perfetto, sia l’approccio LUT. Una volta verificato che vi fosse corrispondenza tra i risultati è stata intrapresa un processo di otti- mizzazione parametrica per il sesto stadio, arrivando a determinare il profilo con perdite minori. Poi si è passati alla progettazione del primo stadio della stessa turbina ancora con un processo di ottimizzazione parametrica. Questa analisi è stata fortemente basata sull’approccio LUT poiché il primo stadio della macchina, operando in una regione di gas denso, non poteva essere modellizzato con l’equazione di gas perfetto ma era necessario un modello termodinamico più complesso. In seguito si è iniziata la ricerca di una legge di spessori da assegnare al profilo del rotore del primo stadio, gettando le basi per un futuro processo di ottimizzazione. Infine si sono verificate, con il modello termodinamico appena sviluppa- to, le prestazioni di un profilo supersonico di una turbina operante a fluido Sommario organico, costruito con tecniche di ottimizzazione di forma accoppiate a un metodo inviscido, per verificare la validità dell’ottimizzazione anche in pre- senza degli effetti di turbolenza.