ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNA

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

CORSO DI LAUREA IN

INGEGNERIA MECCANICA

STUDIO ED OTTIMIZZAZIONE DI UNO STATORE A GEOMETRIA VARIABILE PER

UNA MICROTURBINA BASATA SU COMPONENTI COMMERCIALI

Anno accademico 2008/09

III Sessione

CANDIDATO

Andrea Pieggi

RELATORE

Prof.Ing. Luca Piancastelli

OBIETTIVI DELLA TRATTAZIONE

Ottimizzazione dello statore della turbina di un gruppo turbogas per applicazione aeronautica allo scopo di ottenere prestazioni migliori in termini di spinta

Studio di un palettamento statorico a geometria variabile

Mantenimento di una girante di tipo commerciale indicata dal costruttore

Contenimento delle dimensioni e delle masse

SVOLGIMENTO

Acquisizione di dati sulla microturbina esistente.

Elaborazione di un foglio di calcolo Excel per lo studio dei triangoli di velocità della turbina esistente e per la ricerca di un angolo ottimale della palettatura statorica.

Calcolo delle perdite energetiche per urto dovute ad un angolo di incidenza non ottimizzato.

Implementazione del foglio di calcolo per lo studio e l’ottimizzazione della nuova turbina.

Studio e modellazione CAD di uno statore a geometria variabile.

Dimensionamento di massima dell’ugello di scarico per la nuova turbina.

Rilievo di dati sperimentali sul Turbogas esistente

Sono state effettuate delle

misurazioni della temperatura

di uscita dalla turbina e della

spinta fornita dal propulsore a

diverse velocità di rotazione.

Le prove sono state eseguite

impiegando le seguenti giranti:

compressore Holset 3534650

trimmato e turbina Holset 3532197

Calcolo dell’angolo ottimale della palettatura

statorica e delle perdite per urto sulla turbina

esistente

1

1

1

0,63

2opt

m

uZarctg

c

Perdite energetiche dovute

ad incidenza diversa da

quella ottima:

2

211 1

2s opt

wR sen

Inclinazione del condotto

interpalare dello statore:

1

1

43,7

37,7opt

Velocità assoluta del fluido in

uscita dalla turbina:

4

4

288 /

300 /new

c m s

c m s

+4%

Studio dello statore a geometria variabile

Ottimizzazione dell’angolo di imbocco del palettamento mobile anche ai

regimi intermedi

n [rpm] Spinta [N] [K] [kg/s]

45000 43 697 0,54 31,2°

61000 100 721 0,73 32,7°

82000 275 803 0,99 34,3°

93000 427 903 1,12 37,7°

4T m 1opt

Possibilità di regolare l’ingresso nella girante anche per condizioni

ambientali di temperatura e pressione diverse da quelle di progetto

Possibilità di trovare le condizioni di imbocco ottimale in caso di

sostituzione della girante

Modellazione CAD dello statore a geometria

variabile

Rotazione simultanea

delle palette statoriche

tramite un anello di

attuazione coassiale

con la turbina

Zona di imbocco

maggiormente

raccordata

Introduzione di profili

aerodinamici simmetrici

NACA per le palette

(NACA 0008)

Modellazione CAD dello statore a geometria

variabile (disegno complessivo)

Vista di sezione

Complessivo

_

_

_

229

111

97

e imbocco

ing girante

usc girante

D mm

D mm

D mm

Dimensionamento di massima dell’ugello di

scarico

Ugello subsonico

(semplicemente

convergente)

Flusso isoentropico e

stazionario

Sezione di ingresso

dell’ugello coincidente

con la sezione di

uscita della girante

della turbina

4 4 4 g g gc A c A

0,9 521 /g sc c m s

71gD mm

427

583new

F N

F N

Incremento della spinta

+36%

CONCLUSIONI

L’ottimizzazione dell’angolo di ingresso nella girante permette di ottenere un miglior funzionamento globale della turbina e un incremento delle prestazioni.

L’introduzione di uno statore a geometria variabile appare vantaggiosa.

La modellazione proposta della zona di imbocco dello statore migliora l’ingresso del flusso di gas, ma aumenta l’ingombro radiale; uno sviluppo futuro potrebbe essere quello di ricercare un compromesso ottimale fra dimensioni e rendimento.

Il dimensionamento dell’ugello di scarico risulta determinante per ottenere la spinta voluta.

Grazie per l’attenzione.