Prove di commissioning di una turbina a vapore di nuova generazione

The field of turbomachinery engineering has been a booming sector in recent decades. The high efficiency of these machines coupled with their versatility has allowed a considerable increase in performance of the latter, thanks to the investments that the major manufacturers have employed in this sector. Nuovo Pignone ranks among the leading companies in the design and development of turbomachinery for generation of electricity. In the continuous process of improving the efficiency of its products a campaign of experimental tests that is part of a larger research project called "High Efficiency" has been commissioned at the Politecnico di Milano. The program provides a series of tests for the development of an innovative steam turbine with improved efficiency, increase in the load of each stage and reduction of the number of blades. For the purposes of the development of the turbomachine a campaign of tests is required to validate the increased thermodynamic performance in reference to an already existing machine. In more details, performance validation will go through the aerodynamic stage design validation by global flange-to-flange measurements in the whole operating range and interstage measurements, and the validation of the new endwalls design (hub and tip) effects on losses profiles by secondary flows measurements, leakage measurements and radial profiles of total quantities and flow angles surveys. Nuovo Pignone has chosen the Laboratory of Fluid Machinery of Politecnico di Milano as the seat of the tests. This thesis work is part of the project described above with regard to the so-called "commissioning", i.e. the verification that the closed-circuit wind tunnel "close loop test rig" of the Politecnico di Milano is able to allow the execution of the tests on all operating curves of the stadium under test. We will proceed initially with a description of the main parts making up the system in order to give a clear idea of its peculiarities. Later we will discuss the measurement systems used by Politecnico di Milano for the continuous monitoring of the closed loop rig and Nuovo Pignone for the acquisition of the necessary data from those anticipated. The main work’ll regard the descrition of the studies on the uniformity of the flow incoming in the unit under test, that’s the parameter of primary importance in the calculation of the performance of the turbine with respect to the first start-up of the bench and the first acquisition tests of points of operation. We will discuss, finally, about the procedure used for the calibration of the transducers that are mounted on some of capture probes, highlighting the importance of the procedure for the detection of reliable data.

Il campo delle turbomacchine è un settore dell’ingegneria in forte espansione negli ultimi decenni. L’alta efficienza di queste macchine unita alla loro grande versatilità hanno permesso un considerevole aumento di prestazioni di queste ultime, grazie anche agli investimenti che le principali case costruttrici hanno impiegato in questo settore. La Nuovo Pignone si colloca tra le aziende leader nella progettazione e nello sviluppo di turbomacchine per la generazione di energia elettrica. All’interno del processo continuo di miglioramento dell’efficienza dei propri prodotti è stata commissionata al Politecnico di Milano una campagna di prove sperimentali che fa parte di un più ampio progetto di ricerca denominato “High Efficency”. Il programma prevede una serie di test per lo sviluppo di uno stadio di turbina a vapore con efficienza migliorata, aumento del carico di ogni stadio e riduzione del numero di pale. Ai fini dello sviluppo della turbomacchina è necessaria un’approfondita sessione di test finalizzati a validare l’aumento delle performance termodinamiche in riferimento ad una turbomacchina già esistente. Nella fattispecie, sono necessarie una validazione del design aerodinamico tramite misure flangia-flangia delle performance globali dello stadio in tutto il campo di funzionamento e tramite misure inter-stadio, e una validazione dell'effetto del nuovo design di parete (hub e tip) sulle perdite di profilo tramite misure dei flussi secondari, misure di leakage e misure dei profili radiali delle quantità totali e degli angoli del flusso. La Nuovo Pignone ha scelto il Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine del Politecnico di Milano come sede dei test. Questo lavoro di tesi si inserisce nel progetto appena descritto per quanto riguarda la parte cosiddetta di “commissioning”, ossia la verifica che la galleria del vento a circuito chiuso “close loop test rig” del Politecnico di Milano sia in grado di permettere l’esecuzione dei test su tutte le curve di funzionamento dello stadio in prova. Si procederà inizialmente ad una descrizione delle parti principali costituenti l’impianto così da dare un’idea il più possibile chiara delle sue peculiarità. Successivamente verranno illustrati i sistemi di misura impiegati dal Politecnico di Milano per il monitoraggio continuo della galleria e da Nuovo Pignone per l’acquisizione dei dati necessari a quanto anticipato. Si passerà poi nel vivo dei test descrivendo gli studi compiuti sull’uniformità del flusso in ingresso alla macchina in prova, parametro di importanza primaria nel calcolo delle performances della turbina con riferimento ai primi avviamenti del banco ed alle prime prove di acquisizione di punti di funzionamento. Si tratterà infine la procedura utilizzata per la taratura dei trasduttori installati su alcune sonde di acquisizione, evidenziando l’importanza della procedura ai fini del rilevamento di dati affidabili.