DESIGN E ANALISI FEM DELLA GIRANTE DI UNA TURBINA KAPLAN

This document aims to analyze and optimize the design of a Kaplan turbine runner according to the finite element method (FEM - Finite Element Method) through the implementation of the CAD software AUTODESK INVENTOR. The Kaplan turbine is a type of hydraulic turbine that works on the principle of reaction, where energy is developed by the pressure difference across the turbine blades. It is designed to operate in environments with low heads, and it is suitable for handling large water flows, between 200 and 300 cubic meters per second, a feature that makes it very efficient for hydroelectric power generation. Finite element analysis is a numerical simulation technique useful for studying the behavior of a complex system through subdivision into finite elements: in this process, the system is divided into a series of geometric elements, each of which is analyzed separately. This technique allows for the evaluation of the system's performance under different load and stress conditions and for the optimization of its design. This process of searching for the optimal configuration involves the use of optimization algorithms that modify design variables, such as the blade profile or the mass distribution, and that consider production constraints, such as the reproducibility of the proposed geometries, the availability of materials, or the requirements for maintaining cost.

Il presente documento ha il proposito di analizzare e ottimizzare il design di una girante di una turbina Kaplan secondo il metodo degli elementi finiti (FEM - Finite Element Method) tramite l’impiego del software CAD AUTODESK INVENTOR. La turbina Kaplan che è una tipologia di turbina idraulica a reazione, progettata per operare in ambienti con dislivelli ridotti, è adatta per lo smaltimento di grandi portate d’acqua, tra 200 e 300 metri cubi al secondo, peculiarità che la rende molto efficiente per la generazione di energia idraulica. L'analisi degli elementi finiti è una tecnica di simulazione numerica utile per lo studio del comportamento di un sistema complesso tramite la suddivisione in elementi finiti: in questo processo il sistema viene suddiviso in una serie di elementi geometrici ognuno dei quali viene analizzato separatamente. Questa tecnica permette di valutare le prestazioni del sistema in diverse condizioni di carico e sollecitazione e di ottimizzarne la progettazione. Questo processo di ricerca della configurazione ottimale coinvolge l'utilizzo di algoritmi di ottimizzazione che modificano le variabili di design, come il profilo palare o la distribuzione delle masse, e che considerino le restrizioni di produzione, come ad esempio la riproducibilità delle geometrie proposte, la reperibilità dei materiali disponibili sul mercato, o i requisiti di mantenimento del costo.