The thesis it has been focused on the design of radial turbines, which guarantee high efficiencies at moderate cost and compact design. Overall the work led to the development of a procedure for the parametric design of the rotor and one for that of the volute without blading, which constitute the RIT. The design procedure has been placed side by side and integrated with a 1-D calculation code (mean line) of the losses, able to predict the performance of the machine under design and of-project conditions. In all the calculation, the non- ideal equation of state of the organic fluid used was taken into account, including therefore the effects of compressibility. These design procedures were used to establish the design parameters on the basis of which four radial turbines were designed and modelled in 3D, characterized by specific speed values of 0.3, 0.4, 0.5 and 0.6. The CFD analysis followed on the 4 turbines thus created, using turbulent RANS simulation, with fluid modelled with a Peng-Robinson equation, suitable for gases and vapors even near the critical curve. Through the CFD analysis there was a feedback on the positioning of the optimum point, and the performance at the design point and in o_-project conditions in a wide range of capacities and expansion ratios. Finally, it was possible to compare the performance curves provided for each machine by the CFD and the one-dimensional loss calculation code, highlighting the possibility of using the latter as a survey tool in a wide range with a good level of accuracy. The excellent coincidence between the project point and the point of maximum efficiency predicted both by the CFD and by the 1-D model, despite being the three completely independent, constitutes an excellent validation for the design procedure and for the calculation model 1-D performance. Future developments may include a parametric study of design parameters such as the "blade velocity ratio" and the rotor inlet angle instead of the specific speed, and the further refinement of the volute design procedure that ensures greater uniformity in the recirculation tongue. Furthermore, the 1-D calculation procedure can be improved by adding a dedicated calculation for the losses in volute, and with a tuning of the coefficients through comparison with CFD calculations of the rotor alone and of the entire volute, in order to have the losses of the two components separately
La tesi si è concentrata sulla progettazione di turbine radiali per applicazioni a bassa temperatura per recuperi energetici a bassa entalpia del tipo in-flow. Esse garantiscono elevate efficienze, costi moderati e progettazione compatto. Nel complesso, la tesi ha portato allo sviluppo di una procedura per la progettazione parametrica del rotore e una per quella della voluta senza palettatura. La procedura di progettazione è stata affiancata e integrata con un codice di calcolo 1-D (linea media) delle perdite, in grado di prevedere le prestazioni della macchina in condizioni di progettazione e di progetto. In tutto il calcolo, è stato presa in considerazione l'equazione di stato non ideale del fluido organico utilizzato, inclusi quindi gli effetti della compressibilità. Queste procedure di progettazione sono state utilizzate per stabilire i parametri di progettazione sulla base dei quali quattro turbine radiali sono state progettate e modellate in 3D, caratterizzate da valori specifici di velocità di 0,3, 0,4, 0,5 e 0,6. L'analisi CFD è seguita sulle 4 turbine così create, utilizzando simulazione RANS, con fluido modellato con un'equazione Peng-Robinson, adatto per gas e vapori anche vicino alla curva critica. Attraverso l'analisi CFD è stato fornito un feedback sul posizionamento del punto ottimale e sulle prestazioni nel punto di progettazione e in condizioni di progetto in una vasta gamma di capacità e rapporti di espansione. Infine, è stato possibile confrontare le curve di prestazione fornite per ciascuna macchina dal CFD e il codice di calcolo della perdita unidimensionale, evidenziando la possibilità di utilizzare quest'ultima come strumento di rilevamento in una vasta gamma con un buon livello di precisione. L'eccellente coincidenza tra il punto di progetto e il punto di massima efficienza previsti sia dal modello CFD che dal modello 1-D, nonostante siano i tre completamente indipendenti, costituisce un'eccellente validazione per la procedura di progettazione e per le prestazioni 1-D del modello di calcolo . Gli sviluppi futuri potrebbero includere uno studio parametrico di parametri di progettazione come il "rapporto di velocità della pala" e l'angolo di ingresso del rotore anziché la velocità specifica e l'ulteriore perfezionamento della procedura di progettazione della voluta ciò garantisce una maggiore uniformità nella lingua di ricircolo. Inoltre, la procedura di calcolo 1-D può essere migliorata aggiungendo un calcolo dedicato per le perdite in voluta e con una messa a punto dei coefficienti attraverso il confronto con i calcoli CFD del solo rotore e dell'intera voluta, al fine di avere le perdite dei due componenti separatamente
METODOLOGIA PER LA PROGETTAZIONE E ANALISI DELLE PRESTAZIONE DI TURBINE CENTRIPETE PER APPLICAZIONI IN ORGANIC RANKINE CYCLE
BRACCIO, SIMONE
2018/2019
Abstract
The thesis it has been focused on the design of radial turbines, which guarantee high efficiencies at moderate cost and compact design. Overall the work led to the development of a procedure for the parametric design of the rotor and one for that of the volute without blading, which constitute the RIT. The design procedure has been placed side by side and integrated with a 1-D calculation code (mean line) of the losses, able to predict the performance of the machine under design and of-project conditions. In all the calculation, the non- ideal equation of state of the organic fluid used was taken into account, including therefore the effects of compressibility. These design procedures were used to establish the design parameters on the basis of which four radial turbines were designed and modelled in 3D, characterized by specific speed values of 0.3, 0.4, 0.5 and 0.6. The CFD analysis followed on the 4 turbines thus created, using turbulent RANS simulation, with fluid modelled with a Peng-Robinson equation, suitable for gases and vapors even near the critical curve. Through the CFD analysis there was a feedback on the positioning of the optimum point, and the performance at the design point and in o_-project conditions in a wide range of capacities and expansion ratios. Finally, it was possible to compare the performance curves provided for each machine by the CFD and the one-dimensional loss calculation code, highlighting the possibility of using the latter as a survey tool in a wide range with a good level of accuracy. The excellent coincidence between the project point and the point of maximum efficiency predicted both by the CFD and by the 1-D model, despite being the three completely independent, constitutes an excellent validation for the design procedure and for the calculation model 1-D performance. Future developments may include a parametric study of design parameters such as the "blade velocity ratio" and the rotor inlet angle instead of the specific speed, and the further refinement of the volute design procedure that ensures greater uniformity in the recirculation tongue. Furthermore, the 1-D calculation procedure can be improved by adding a dedicated calculation for the losses in volute, and with a tuning of the coefficients through comparison with CFD calculations of the rotor alone and of the entire volute, in order to have the losses of the two components separatelyI documenti in UNITESI sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/20.500.14253/103016