ricerca e sviluppo nel campo delle turbomacchine per recuperi

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Coordinamento Nazionale dei Professori di
Macchine a Fluido e Sistemi per l’Energia e l’Ambiente
Giornata di Studio sulle Turbomacchine
15 Luglio 2016, Bergamo
RICERCA E SVILUPPO NEL CAMPO DELLE
TURBOMACCHINE PER RECUPERI
ENERGETICI ED ENERGIE RINNOVABILI
Presenta, per il DMMM:
Marco Torresi
[email protected]
IL DMMM
Il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Matematica e Management (DMMM),
del Politecnico di Bari, è diviso in 5 sezioni (Macchine ed Energetica,
Management, Matematica, Progettazione Meccanica, Tecnologie e Impianti) con
80 docenti (24 PO, 31 PA, 15 RTI e 10 RTD).
I principali ambiti di ricerca che vedono coinvolti i docenti della sezione
Macchine ed Energetica (2 ING-IND/06, 10 ING-IND/08, 1 ING-IND/09, 1 ING-IND
12) sono:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
macchine a fluido (operatrici e motrici, termiche e idrauliche)
turbine eoliche;
aerodinamica dei profili alari (isolati e in schiera);
bruciatori industriali per impianti termici per produzioni di energia;
motori a combustione interna;
controllo e impatto ambientale dei sistemi energetici;
risparmio energetico;
sistemi oleodinamici e pneumatici;
analisi e caratterizzazione dei sensori;
catene di misura per grandezze meccaniche, termiche e fluidodinamiche.
Giornata di studio sulle Turbomacchine, Bergamo 15/07/2016 - DMMM, PoliBA
2
TURBOMACCHINE, R&D
L’attività di ricerca e sviluppo nel settore delle turbomacchine vede i diversi componenti
della sezione Macchine ed Energetica seguire approcci sia numerici che sperimentali
nell’ambito di collaborazioni con aziende e/o di Progetti di Ricerca Regionali, Nazionali e
Internazionali.
• Applicazioni eoliche:
– Turbina eolica a flusso confinato per applicazioni off-shore (PON MEL: UniRC, PoliBA, Avio
Aero, Bladeworks);
– Banco prova per mini turbine eoliche (LabZERO);
– Turbine eoliche ad asse verticale, simulazioni CFD e caratterizzazione in galleria del vento;
– Stallo Dinamico nelle turbine Darrieus;
• Turbine per lo sfruttamento dell’energia del moto ondoso (UniRC);
• Ricerca di base:
– Microtextured surfaces (CDP1 – Nuovo Pignone Bari);
– Boundary-layer turbulence (ENSAM ParisTech);
• Ricerca e sviluppo di soluzioni per l’utilizzo di pompe come turbine (PrInCE);
• Soluzioni per il recupero di cascami di energia:
– Turbine in sostituzione di valvole di laminazione;
– Turbine per ORC.
3
Turbina eolica offshore a flusso
confinato (PON MEL)
Gruppo di Ricerca:
Sergio Mario CAMPOREALE, Bernardo FORTUNATO, Michele LACERENZA, Marco
TORRESI
Altri partner: UniRC, Avio Aero, Bladeworks
Finanziato dal MIUR nell’ambito del PON Marine Energy Laboratory (MEL) n°PON03PE_00012_1
4
OBIETTIVO
Realizzare una turbina eolica off-shore a flusso confinato con macchina
elettrica integrata (di tipo a magneti permanenti).
Turbina di potenza minore rispetto a quelle multi-MW attualmente installate
su pali, montabile su piattaforma galleggiante già nei bacini di carenaggio
(riduzione dei costi di montaggio, manutenzione e decomissioning alla fine
della vita utile).
Macchina compatta, con velocità di rotazione superiore a quella degli
aerogeneratori convenzionali, ad elevata efficienza, particolarmente idonea
per installazioni in luoghi ad alta ventosità.
5
GEOMETRIA DELLA TURBINA
Numero di pale, B = 5
Rtip = 1.5 m
Rhub = 0.1 m
Schema per la realizzazione dei
profili anulari del diffusore
Spessore: NACA0004
Rdiff,max = 2.1 m
termini
sorgente
NACA1318
NACA5418
CL = CL (Re, α, r, profilo)
Ricavato da QBlade
NACA6618
6
OTTIMIZZAZIONE DELLA PALA
La teoria BEM (Blade Element Momentum) convenzionale non è direttamente
applicabile al caso di una turbina inserita all’interno di un diffusore.
E’ necessario considerare un coefficiente di resistenza, CDs, per tener conto del
suo effetto sul flusso.
Assegnato un coefficiente di resistenza del
diffusore, CDs, i valori dei fattori di induzione
assiale (a) e tangenziale (a’) vengono determinati
con l’algoritmo GRG2 (non-linear Generalized
Reduced Gradient) di Excel, al fine di soddisfare le
seguenti due condizioni:
1
1
−
=
1− =
Blade angle vs radius
Local solidity angle vs radius
Disegnata la pala, si esegue la simulazione CFD
2D assialsimmetrica e si valuta il Cp.
Si ripete la procedura per diversi valori del CDs.
La configurazione finale sarà quella per cui si
massimizza il Cp.
7
MODELLO ANALITICO
1
2
=
1−
1
=
2
(
=
=
1
−
1+ ′ #
2
CD << CL
1−
1
1+ ′ #
1
2
1
2
1−
=
2
a' = ω/(2Ω)
Local tangential induction factor
Local axial induction factor
a
b = 1- a
Local interference factor
Local rotational speed ratio # = Ω ⁄
Solidity
Far wake velocity coefficient
= # ⁄&
= ' ⁄ 2
)⁄
=( ⁄ +
8
MODELLO ANALITICO
,−
1
=
2
=
d1 =
=
2 1−
,- =
1
2
1−
.-
1
2
4 ′ 1−
2
2
−
1
2
⇔ 1−
34 2
1−
2
2 − 1+
=
=
.-
=
4 ′
=
1+ ′
5
8
= 6Ωd1 =
6
#
1−
#8 #
a' = ω/(2Ω)
Local tangential induction factor
Local axial induction factor
a
b = 1- a
Local interference factor
Local rotational speed ratio # = Ω ⁄
Solidity
Far wake velocity coefficient
= # ⁄&
= ' ⁄ 2
)⁄
=( ⁄ +
9
MODELLO CFD
Simulazioni RANS 2D assialsimmetriche stazionarie per flussi incomprimibili.
Le equazioni sono discretizzate secondo modelli accurati al primo ordine.
Il modello di turbolenza è il k-ε standard.
L’effetto delle pale sul flusso è messo in conto attraverso l’introduzione (mediante UDF)
di termini sorgente nelle equazioni di bilancio di quantità di moto.
Boundary layer
No slip wall
Termini
sorgente
Number of levels
30
First cell height
1.e-4 m
Growth factor
1.1
Overall mesh size: 190000 cells
V∞ = 11 m/s
I = 5%
Lt = 0.001 m
Overall dimension: 352 m x 45 m
outflow
Velocity inlet
Slip wall
axis
10
RISULTATI
Contours of Static Pressure (pascal)
V0 = 11 m/s
Contours of Axial Velocity (m/s)
Cp = 1.037
Cp’ = 0.529
Contours of Stream Function (kg/s)
11
CFD 3D
15°
Vinf
12
LAVORI DI RIFERIMENTO
1. Torresi M, Postiglione N, Filianoti PF, Fortunato B, Camporeale SM, (2016).
"Design of a ducted wind turbine for offshore floating platforms", Wind
Engineering, DOI: 10.1177/0309524X16660226
13
Banco prova per mini turbine eoliche
Responsabile Scientifico per il DMMM: Riccardo AMIRANTE
Gruppo di Ricerca:
Paolo TAMBURRANO, Elia DISTASO, Gianluca ROSSINI, Vincenzo DI TOMA
Laboratorio per lo sviluppo delle fonti rinnovabili e dell’efficienza nei distretti energetici: Progetto ZERO (Zero
Emission Research Option)”, nell’ambito dell’Accordo di Programma Quadro della Regione Puglia sulla Ricerca
Scientifica - “Reti di laboratori pubblici di ricerca”.
Responsabile del finanziamento Massimo LA SCALA
14
Banco prova per mini turbine eoliche
Messa in opera di un impianto per la prova in ambiente aperto di turbine eoliche
caratterizzato da un cluster di ventilatori, montato su struttura metallica, in grado di
produrre un flusso regolabile d’aria da inviare alla turbina.
Struttura
• Ingombro frontale matrice: 5,2m x 5,4m
• Altezza dalla fondazione: 7,1m
• Strutture in acciaio con rivestimento in
ferromicaceo antiossidante.
Cluster di ventilatori
• 49 ventilatori disposti su matrice 7x7
• Pel assorbita dai ventilatori: 70 kW
• Alimentazione e controllo con 11 inverter
• Pel,inv massima erogata dagli inverter: 90 kW
• Va,out,max vento indotto: 16 m/s
• V vento in simulazione: 12 m/s
• Portata d’aria di 850 000 m3/h
Turbine testabili
• Diametro massimo rotore 4 m
• Potenza massima, fino a 6 kW
Turbina in prova (HAWT)
• Potenza turbina in prova: 3,5 kW a 250rpm
• Controllo passivo a timone integrato da freno
15
Analisi CFD
Lo studio CFD è stato condotto per verificare la corretta distanza di
posizionamento della turbina dal cluster di ventilatori (garantendo un’ottimale
estrazione della potenza aerodinamica), considerando la presenza di un vento
laterale.
• Dominio non strutturato di
3.200.000 celle
realizzato con software Gridgen Pointwise;
• Solutore ANSYS FLUENT v.15;
• Vento laterale (⊥) di disturbo che spira a 3,5 m/s;
• Analisi del campo di moto lungo 7 linee di controllo
ortogonali al piano del cluster;
• Analisi del campo di moto con 12 piani paralleli alla
matrice posizionati alle seguenti distanze in metri
dall’inlet: 0,25-0,75-1-1,5-2-2,5-3-4-5-6-10-12;
16
Analisi CFD (linee di controllo)
Leggendo il comportamento del campo di
velocità, lungo le 3 componenti del sistema di
riferimento, notiamo che la X velocity ha un
plateau fra i 2 e 5 m. Questo situazione
interessa in particolar modo le linee centrali
(linee2,3,4,5,6). Le linee più esterne (colore
viola e nero) saranno fortemente influenzate
dall’ambiente presentando un andamento
diverso.
A seguito di questa prima analisi si è deciso di
posizionare la turbina a 2,5 m dal cluster.
17
Analisi CFD (piani trasversali)
Piano frontale a 0,5 m dall’inlet.
A questa distanza possiamo notare i diversi
valori del campo di velocità in cui sono forti le
azioni della vorticità indotta dalle palette dei
ventilatori.
Piano frontale a 2,5m dall’inlet.
Si apprezza un allineamento dei vettori
velocità nella zona delimitata dalla cornice
del cluster. Questa visualizzazione dei vettori
nello spazio è in linea con quanto apprezzato
dalla analisi precedente. Pertanto si conferma
la scelta di posizionare la turbina a 2,5m dalla
matrice.
Piano frontale a 12 m dall’inlet.
A questa distanza possiamo notare la forte
influenza del vento laterale sulla portata di
aria dei venitlatori. Si apprezza una zona con
una vorticità di larga scala.
18
Turbina Wells per lo sfruttamento
dell’energia del moto ondoso
Gruppo di Ricerca:
Sergio Mario CAMPOREALE, Filippo SCARPETTA, Marco TORRESI
In collaborazione con L’università Mediterranea di Reggio Calabria
19
Sistemi OWC
Integrare un impianto OWC (Oscillating Water Column) in un Sistema frangiflutti è un modo
efficace per abbassare il costo del kWh prodotto e per migliorare la protezione delle coste.
I sistemi REWEC, brevettati dal Prof. Boccotti, sono particolari sistemi OWC (la cui dinamica è
assimilabile ad un sistema massa-molla-smorzatore) che possono lavorare in condizioni di
risonanza riuscendo ad assorbire una notevole quantità di energia dalle onde.
Turbina
REWEC3
REWEC1
20
La turbina Wells
La turbina Wells è in grado di fornire coppia
sempre nello stesso verso indipendentemente
dalla direzione del flusso
Forze scambiate tra pala e fluido
Turbina Wells all’interno
del condotto anulare
21
Banco prova turbina Wells
Ventilatore
Centrifugo
Inverter
Misuratore di
portata a
diaframma
Gruppo
Turbina
Camera di
Calma
22
Banco prova turbina Wells
Strumenti di misura
Controller del Motore Brushless:
Segnale in tensione, proporzionale
alla coppia
Torsiometro:
Segnale in tensione, proporzionale
alla coppia
Trasduttori di Pressione:
Segnale in tensione per la
valutazione portata
23
Prestazioni della turbina Wells
∆P * =
∆P 0
1
ρ U
2
2
tip
U* = Va / Utip
T * =
T
1
ρ U
2
2
tip
3
R tip
24
Simulazioni CFD
0.25
T
= 6.8 s
U*max = 0.389
Vmax
= 12 m/s
ω
= 199 rad/s = 1900 rpm
dt
= 0.017 s
N° Time-step per ciclo
= 400
T*
0.2
0.15
0.1
steady-RSM
steady-SA
T*
0.05
0
U*
-0.05
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
25
1.
Torresi M, Camporeale SM, Pascazio G (2009). Detailed CFD analysis of the steady flow in a Wells turbine under incipient
and deep stall conditions, ASME Transactions, Journal of Fluids Engineering, vol. 131, Issue 7, ISSN: 0098-2202, DOI:
10.1115/1.3155921
2. Torresi M, Camporeale SM, Strippoli PD, Pascazio G (2008). Accurate numerical simulation of a high solidity Wells turbine,
Renewable Energy, 33 (2008) 735–747, DOI:10.1016/j.renene.2007.04.006
3. Torresi M, Pranzo D, Camporeale SM, Pascazio G (2011). Improved design of high solidity Wells turbine. In: Proceedings of
the 9th European Wave and Tidal Energy Conference. Southampton, England. 5-9 September, 2011.
4. Camporeale SM, Filianoti PGF, Torresi M (2011). Performance of a Wells turbine in a OWC device in comparison to
laboratory tests. In: Proceedings of the 9th European Wave and Tidal Energy Conference. Southampton, England. 5-9
September, 2011.
5. Torresi M, Camporeale SM, Pascazio G (2007). Experimental and numerical investigation on the performance of a Wells
turbine prototype. In: Proceedings of the 7th European Wave and Tidal Energy Conference. Porto, Portugal. 11-14
September, 2007
6. Torresi M, Camporeale SM, Pascazio G (2007). Performance of a Small Prototype of a High Solidity Wells Turbine. In:
Proceedings of the 7th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics, Athens (Greece),
5-9 March 2007
7. Torresi M, Camporeale SM, Pascazio G (2006). Studio teorico dell’influenza dei parametri geometrici sulle prestazioni di
turbine Wells. In: Atti del 61° Congresso Annuale ATI, Perugia
8. Torresi M, Camporeale SM, Pascazio G, Fortunato B (2004). Fluid Dynamic Analysis of a Low Solidity Wells Turbine. In: Atti
del 59° Congresso Annuale ATI. Genova
9. Camporeale SM, Torresi M, Pascazio G, Fortunato B (2003). A 3D unsteady analysis of a Wells turbine in a sea-wave energy
conversion device. In: Proceedings of the ASME Turbo Expo 2003, Atlanta Georgia, 2003, GT2003-38715
10. Camporeale SM, Torresi M, Fortunato B and Filianoti PGF (2003) Design of a self-rectifying hydraulic turbine for a sea-wave
energy conversion device. In: Proceedings of the 16th International Conference on Efficiency, Costs, Optimization,
Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, Copenhagen, Denmark, June 30 - July 2, 2003
11. Camporeale SM, Torresi M, Pascazio G, Fortunato B (2003). Analisi tridimensionale del comportamento fluidodinamico non
stazionario di una turbina Wells. In: Atti del 58° Congresso Annuale ATI. Padova
12. Camporeale SM, Torresi M, Pascazio G, Fortunato B (2003). Sull’impiego di una turbina idraulica autorettificante in un
assorbitore di energia ondosa di nuova concezione. In: Atti del 58° Congresso Annuale ATI. Padova
26
Ricerca e sviluppo di soluzioni per
l’utilizzo di pompe come turbine
Gruppo di Ricerca:
Sergio Mario CAMPOREALE, Tommaso CAPURSO, Bernardo FORTUNATO, Michele
STEFANIZZI, Marco TORRESI
Progetto Processi Innovativi per la Conversione dell’Energia (PrInCE)
PROGRAMMA OPERATIVO NAZIONALE RICERCA E COMPETITIVITÀ 2007-2013 Per le Regioni dell’Obiettivo
Convergenza Campania, Puglia, Calabria, Sicilia - ASSE I: “Sostegno ai Mutamenti Strutturali” - Obiettivo Operativo
4.1.1.4 “Potenziamento delle Strutture e delle Dotazioni Scientifiche e Tecnologiche” - I AZIONE: “Rafforzamento
strutturale”
27
MOTIVAZIONI
• PERCHÉ
L’utilizzo delle PAT (Pumps As Turbines) può essere molto vantaggioso:
– Recupero energetico con impatto ambientale pressoché nullo.
– Dati i bassi costi di investimento e i prezzi elevati dell’energia, il periodo di
ammortamento dei sistemi PAT non è mai superiore ai 3 anni.
– I bassi costi di esercizio e manutenzione riducono i costi del ciclo di vita.
– Il mercato delle turbine è molto piccolo in confronto al mercato delle pompe
(generalmente le piccole turbine non vengono prodotte in serie).
• COME
Una PAT può sfruttare il potenziale idroelettrico in modo economico elaborando
salti di pressione che altrimenti andrebbero persi, generando così potenza
elettrica.
28
OBIETTIVI
• Sviluppare un modello accurato e robusto per la predizione delle
performance della PAT partendo dalle caratteristiche della pompa;
• Validare il modello di predizione con test sperimentali.
29
Descrizione impianto pompe/turbine
CARATTERISTICHE IMPIANTO
•
•
Circuito chiuso e pressurizzato:
-
pmin = 0,2 bar(a);
-
pmax = 10 bar(a);
Layout pompa:
- Prevalenza massima ammissibile = 280 mH2O;
- Portata massima elaborabile = 650 m3/h.
•
Layout turbina:
- Caduta massima disponibile = 270 mH2O;
- Portata massima erogabile = 350 m3/h.
30
•
Pompa Booster:
- Prevalenza massima fornita = 280 mH2O;
- Portata massima erogata = 550 m3/h.
31
•
Motori elettrici in corrente continua:
•
Azionamento motori c.c.
-
Potenza massima = 460 kWe
-
Booster: 2 quadranti
-
Velocità massima: 2400 RPM
-
Test: 4 quadranti
-
Alimentazione: 400 V
32
•
Trasduttori di pressione
Pressione massima = 100 bar.
•
Torsiometro/Encoder
Coppia max = 3000 Nm;
•
Flussimetro
Q max = 650 m3/h.
Velocità max = 2400 RPM.
•
Valvole di regolazione
Attuatore lineare elettrico;
Cv = 650.
33
CIRCUITO TEST POMPE
ON
ON
OFF
OFF
CIRCUITO TEST TURBINE
ON
OFF
OFF
ON
34
Sviluppo di una girante innovativa
E’ stato sviluppato un modello di calcolo per il progetto di una
girante a doppio flusso innovativa.
I test preliminari hanno confermato ottime prestazioni (è in fase
di deposito la domanda di brevetto).
La procedura di dimensionamento si è articolata secondo il
diagramma a blocchi qui riportato.
Inizio
Input dati di
progetto
Ns, α3
Inizializzazione modello 1D
σ, ηy
Ricerca parametri di design
l2, N
Generazione geometria e
griglia di calcolo per analisi
CFD
|σCFD – σ|
<1%
σ
⋀
|ηy_CFD – ηy|
<1%
ηy
Il miglioramento delle prestazioni è dovuto ad un incremento
del fattore di scorrimento e alla riduzione delle perdite
all’interno dei vani interpalari.
falso
vero
Realizzazione e test
sperimentali
Fine
35
CFD OpenFOAM
La griglia di calcolo per le simulazioni CFD (15M di celle) è stata realizzata con il software ICEM CFD e le
analisi fluidodinamiche sono state condotte con il software OpenFOAM water-turbine. Le simulazioni
sono state condotte sia in regime stazionario (in prossimità del BEP) che non-stazionario (lontano dal
BEP).
Aspirazione
Scarico
Doppia voluta
Le simulazioni hanno previsto uno studio 3D (RANS–Reynolds Average Navier-Stokes equation) con la
tecnica MRF (multiple reference frame).
Il modello di turbolenza utilizzato è il k-ω SST con discretizzazioni delle equazioni della quantità di
moto, dell’energia cinetica turbolenta e del coefficiente specifico di dissipazione accurate al secondo
ordine.
36
TEST SPERIMENTALI
Di seguito, è riportato il confronto tra la curva caratteristica della nuova geometria (in arancione la
curva attesa e con quadrati e cerchi i risultati da test sperimentali) e quella di una macchina
geometricamente simile presa come riferimento durante la progettazione (in giallo).
37
Studio di turbopompe Idrauliche
Centrifughe
Gruppo di Ricerca:
Antonio LIPPOLIS, Antonio POSA
38
PRINCIPALI CARATTERISTICHE
1) USO DEI CONTORNI IMMERSI
La metodologia utilizza una unica griglia di calcolo all’interno della quale la
girante occupa posizioni variabili nel tempo. Non è più necessario realizzare
griglie body-fitted che soffrono del problema del multi-reference frame e della
necessità di trasferire le informazioni all’interfaccia riducendo l’accuratezza del
calcolo.
2) USO DELLA LES
L’uso della tecnica LES (large-eddy simulations) simulando la presenza e
l’evoluzione nel tempo dei vortici di dimensioni più grande permette di ottenere
risultati molto simili a quelli ricavati sperimentalmente.
Le classiche e impegnative metodologie RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes),
di largo utilizzo generale, viceversa soffrono quando devono catturare la fisica di
un flusso fortemente tridimensionale e complesso.
39
GEOMETRIA DELLA POMPA E GRIGLIA
I risultati in condizioni di massimo
rendimento sono stati ottenuti utilizzando un
cluster del CASPUR con una griglia
801x350x101 in direzione, rispettivamente,
circonferenziale, radiale e assiale.
I risultati a portata ridotta sono stati ottenuti
negli USA su CRAY XT5 con una griglia
1602x718x402.
Circa il 50% dei punti sono fuori il
dominio fluidodinaminico.
40
RISULTATI
ANDAMENTO DELLA VELOCITÀ TANGENZIALE
a) Grafico generale
b) Velocità tang. in pos. α con pale della
girante al 10% della corda
c) Velocità tang. in pos. β con pale della
d) Velocità tang. in pos. γ con pale della
• Experiment
– Smagorinsky Model-LES
– Filtered Structured Function-LES (meno
dissipativo)
Andamento della velocità per
un’assegnata posizione
reciproca fra pale della girante e
del diffusore (il modello di
Smagorinsky fornisce valori
leggermente superiori).
PIV measurements
FSF-LES
SM-LES
41
RISULTATI
EVOLUZIONE DELLA VORTICITÀ IN VARIE SEZIONI E PER DIFFERENTI POSIZIONI
DELLA GIRANTE
42
RISULTATI
CONFRONTO FRA FUNZIONAMENTO A PORTATA OTTIMALE E RIDOTTA (40%)
Campo di velocità
istantaneo a metà
altezza del
diffusore.
Il campo di
velocità è riportato
fra 0 e 4 m/s in
alto (100% Q) e fra
0 e 6 m/s in basso
(40% Q).
Campo dell’energia
cinetica turbolenta.
Il campo di energia
cinetica turbolenta
è riportato fra 0 e
0.5 m2/s2 in alto
(100% Q) e fra 0 e
3 m2/s2 in basso
(40% Q).
43
1. Boccazzi A, Miorini R, Sala R, Marinoni F. Unsteady flow field in a radial pump
vaned diffuser. In 8th European conference on turbomachinery (23–27 March
2009). Graz, Austria
2. Posa A, Lippolis A, Verzicco R, and Balaras E, 2011, “Large-Eddy Simulations in
Mixed-Flow Pumps Using an Immersed-Boundary Method,” Computers&Fluids,
47(1), pp. 33–43.
3. Posa A, Lippolis A, and Balaras E, 2015, “Large-Eddy Simulation of a Mixed-Flow
Pump at Off-Design Conditions,” ASME J. Fluids Eng., 137(10), 878, p. 101302.
4. Posa A, Lippolis A, and Balaras E, 2016, “Investigation of Separation Phenomena
in a Radial Pump at Reduced Flow Rate by Large-Eddy Simulation” ASME J. Fluids
Eng., DOI: 10.1115/1.4033843
44
Microtextured surfaces
Gruppo di Ricerca:
Giovanni CARAMIA, Giuseppe CARBONE, Pietro DE PALMA
Finanziato dal Nuovo Pignone Bari nell’ambito del Primo Contratto Di Programma CDP1
45
Supporti
46
Interazione Fluido-Struttura
Surface texturing:
Tribometer:
Obiettivo: Ridurre le perdite nei supporti attraverso la
(micro)strutturazione della superficie
47
Flusso all’interno delle cavità
Caduta di pressione non monotona; profondità ottima
Con cavitazione (OpenFOAM)
Senza cavitazione (Fluent)
Simulazioni 2D
Riduzione della
resistenza del 90%
grazie alla
cavitazione
48
Boundary-layer turbulence
Gruppo di Ricerca:
Stefania CHERUBINI, Pietro DE PALMA, Mirko FARANO, Jean Christophe ROBINET
In collaborazione con l’ENSAM – ParisTech
49
Boundary-layer transition
This research aims at demonstrating the existence of two bypass transition scenarios in a
boundary layer:
1) The first is the classical one, based on the secondary instability of the streaks, observed
at intermediate values of Tu and L
2) The second is based on a non-linear localization mechanism, observed at higher values
of Tu and L
Non-linear optimal perturbations appear to be the basis for the non-linear scenario which
leads the flow to transition at high turbulence intensities
50
Boundary-layer transition
51
Boundary-layer turbulence
Fundamental study of coherent structures in
turbulent flows: Streaks and hairpin vortices
at large scales characterize wall boundary
turbulence carrying a great part of the
turbulent energy and Reynolds stresses.
Basic knowledge for the development of
reduced-order models of turbulence and
flow control.
52
Turbine con macchina elettrica
integrata per lo sfruttamento di salti
di pressione
Gruppo di Ricerca:
Sergio Mario CAMPOREALE, Bernardo FORTUNATO, Gaetano MORGESE, Marco
TORRESI
53
MOTIVAZIONI
• Nei processi industriali, spesso c’è la necessità di ridurre
la pressione del fluido operante (bilanciamento linea,
controllo portata)
• Esempi di questi processi industriali sono:
– Applicazioni criogeniche per la liquefazione di gas
– Distribuzione del gas naturale (stazioni di
decompressione)
– Reti idriche
• Queste espansioni vengono effettuate attraverso
valvole di laminazione che riducono la pressione senza
estrarre lavoro
• La sostituzione di queste valvole con turbine in grado di
trasformare il salto di pressione in lavoro può portare
ad un miglioramento dell’efficienza dell’impianto
54
OBIETTIVI
• Sviluppo di macchine assiali che incorporino nella
turbina (soluzione «embedded») la parte rotorica
del generatore elettrico al fine di eliminare la
gearbox e ottenere soluzioni leggere e compatte
• Sviluppare un modello per il dimensionamento di
queste turbine
Pale
rotoriche
Magneti permanenti del
generatore elettrico
55
PROCESSO DI PROGETTAZIONE
• Per effettuare il calcolo 1D è necessario conoscere i
coefficienti di perdita
• I coefficienti di perdita dipendono dalla geometria
della macchina
• Necessità di implementare una procedura iterativa
• Calcolo 2D basato sulla «viscous/inviscid interaction»
e su un algoritmo di ottimizzazione per definire la
forma del profilo che minimizza le perdite
• Calcolo 3D basato su un calcolo CFD della geometria
risultante dai calcoli 1D e 2D
INIZIO
Definizione del
punto di progetto
Inizializzazione dei
coefficienti di perdita
CALCOLO 1D
Definizione degli angoli e dell’altezza
delle palette
CALCOLO 2D
Definizione della forma
delle pale
CALCOLO 3D
Valutazione dei coefficienti di
perdita
; < 1%
FALSO
VERO
FINE
56
CALCOLO 2D – DISEGNO DELLE PALE
• Pala statorica:
– Camber line costituita da una curva di Bezier;
– Spessore pari a quello di un profilo NACA a quattro
cifre simmetrico
– Parametri indipendenti: numero di pale, lunghezza
della corda, e angolo di stagger
• Pala rotorica:
– Pressure side costituito da un arco di circonferenza
– Suction side costituito da un arco di circonferenza
connesso a due tratti rettilinei
– Leading edge arrotondato
– Parametri indipendenti: numero di pale, raggio del
leading edge, e il rapporto dei raggi del suction e del
pressure Side
57
CALCOLO 3D – MODELLO CFD
• Le equazioni RANS tridimensionali stazionarie sono discretizzate attraverso
un approccio ai volumi finiti
• Turbolenza modellata mediante il modello SST (Shear-Stress Transport) k-ω
• L’interazione statore/rotore viene modellata attraverso il «multiple
reference frame»
• Il dominio computazionale comprende l’intera macchina più una camera di
calma a valle per evitare problemi di convergenza legati ai «reversed flow»
• Ciascuna parte della macchina è stata discretizzata separatamente
utilizzando una mesh esagonale multi-blocco
58
CASO STUDIO
• Punto di progetto:
– Portata adimensionale: Γ =
?@ ABCDE
F
5CDE .CDE
= 0.01312
– Massimo rapporto di espansione consentito: J) =
• Obiettivo:
– Minima potenza adimensionale richiesta: Ψ?L =
• Scelte progettuali:
– Macchina ad azione
– Diametro medio della macchina
– Punto di lavoro alla massima efficienza
X
)Y
= X ; , )Y = , ; Z
)Y
Q
SF
=
5CDE
= 1.144
MNOP
?@QF
= 0.9813
5D
TUV WF
= Z?
59
RISULTATI
• Solo 3 iterazioni sono state necessarie per raggiungere la convergenza
1st iteration
1st iteration
0.3
2nd iteration
0.2
2nd iteration
0.2
3rd iteration
3rd iteration
0.1
0.0
0.0
y/c 1st [-]
y/c 1st [-]
-0.1
-0.2
-0.3
-0.2
-0.4
-0.4
-0.6
-0.5
-0.6
-0.8
-0.7
-0.8
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
x/c 1st [-]
0.8
1.0
-0.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
x/c st [-]
0.4
0.6
0.8
1
• La turbina è caratterizzata da una potenza adimensionale Ψ = 1.600 (63%
maggiore della minima richiesta), con una efficienza pari al 58%
60
RISULTATI CFD
Punto di progetto
Pressione normalizzata al piano medio
Velocità normalizzata assoluta (statore) e
relativa (rotore) al piano medio
61
RISULTATI CFD
Distribuzione del numero di Mach sul piano
medio delle pale di statore
Distribuzione del numero di Mach relativo sul
piano medio delle pale di rotore
62
1. Morgese G, Torresi M, Fortunato B, Camporeale SM, (Dec 2015). Optimized aerodynamic
design of axial turbines for waste energy recovery. Energy Procedia, Vol. 82, pp. 194-200,
ISSN 1876-6102, http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2015.12.019.
2. Morgese G, Torresi M, Fortunato B, Camporeale SM (2014). Design of an Axial Impulse
Turbine for Enthalpy Drop Recovery, In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2014: Power for
Land, Sea and Air, June 16-20, 2014, Düsseldorf, Germany, GT2014-25284
63
Turbine per ORC
Gruppo di Ricerca:
Elio BUFI, Sergio Mario CAMPOREALE, Paola CINNELLA, Bernardo FORTUNATO,
Marco TORRESI
64
MOTIVAZIONI
• Attualmente, circa il 50% dell'energia erogata dal combustibile durante
la combustione nei motore Diesel ad alta efficienza (motori per
autotreni) viene dispersa sotto forma di calore dei gas di scarico e
scambio termico (refrigerante motore, EGR)
• Circa il 2.5% della potenza indicata è asservita agli accessori e
servosistemi del motore (Fan di raffreddamento, Compressore
refrigerante, Compressore aria, Alternatore, Power steering)
• In termini di energia, per un autotreno in condizioni di crociera a
105km/h, dell'energia totale a disposizione (400kWh) circa il 5%
(20kWh) viene usata dai carichi ausiliari
• La maggior parte della potenza ausiliaria viene assorbita dal fan di
raffreddamento. Questo sistema può assorbire potenze nel range di 750 kW (a fronte di un motore da 400 kW), a seconda del regime di
funzionamento del motore heavy duty
65
MOTIVAZIONI
• In condizioni di crociera a carichi nominali, a 1450 RPM, se il fan
dovesse funzionare in modalità locked-on (per malfunzionamento del
sistema refrigerante, valvole termostatiche difettose etc.) ci sarebbe
un drastico peggioramento dell’8-12% dell'MPG. Circa il 50%
dell'attività del fan è asservita al fluido refrigerante motore.
• Una scarsa efficienza del condensatore o un sovraccarico del motore
possono aumentare questa percentuale e quindi incidere in maniera
non trascurabile sui consumi.
• E’ possibile recuperare una percentuale della potenza ausiliaria
utilizzando l'energia dei gas di scarico elevando l'efficienza del motore
oltre il 50%, ad esempio, attraverso sistemi basati sugli ORC.
66
Possibili utilizzi dell'energia recuperata
Oltre alla potenza ausiliaria degli organi motore e servosistemi, altri
utilizzatori di energia elettrica sono:
1. Sistema HVAC (Heat, Ventilation and Air Conditioning)
2. Strumentazione di bordo
3. Sistema di attemperamento carburante/olio durante stagioni
invernali
4. Eventuali richieste di energia derivanti dal rimorchio (celle
frigorifere, attuatori per sistemi in pressione etc.)
67
Utilizzi alternativi dell'energia recuperata
Possibili applicazioni alternative:
1. Attemperamento elettrico dei catalizzatori (alcuni modelli ne sono
stati costruiti nel 1995 dalla tedesca Alpina con il sistema E-KAT e da
BMW nel 1999)
2. Ausilio al sistema APU (Auxiliary Power Unit), solitamente realizzato
con un piccolo generatore Diesel a basse emissioni, che viene usato
per il comfort dell'autista durante i periodi di idle (sosta), divenuti
ormai obbligatori su viaggi di lunga percorrenza. Con un sistema di
batterie alimentate dall'ORC si potrebbe ridurre drasticamente il
ricorso all'APU Diesel, riducendo i consumi e aumentando l'MPG.
68
OBIETTIVI
• Realizzazione di una turbina ORC ad alta efficienza per il recupero di
energia dai gas di scarico di un motore a combustione interna
(applicazioni per trasporti commerciali su ruote, navali etc.)
• sfruttare i recenti progressi nella ricerca sulla fluidodinamica degli
espansori dinamici a fluido organico, dell'ottimizzazione del ciclo
Rankine organico e della controllistica dei sistemi di regolazione per
progettare un sistema ORC di nuova concezione e competitivo sul
mercato
• Realizzare un sistema ermetico e compatto turbina/generatore che sia
poco ingombrante, sicuro e di facile trasporto e installazione
69
ORC Waste Heat Recovery Unit (WHRU
70
TURBINE ASSIALI
• Vantaggi: alta efficienza (anche ai carichi parziali), struttura compatta e
realizzazione di alta qualità, semplicità di montaggio e costruzione,
possibilità di elaborare grandi salti di espansione in un singolo stadio,
bassi problemi di lubrificazione e tenute
• Svantaggi: degradazione delle prestazioni per applicazioni di piccola
taglia (10 kWe - 30 kWe), alte velocità di rotazione, poche applicazioni
per lo più nell'ambito della ricerca
71
FLUIDI REFRIGERANTI
I fluidi usati nei sistemi ORC rispondono a stringenti norme ambientali e di
sicurezza garantendo basso impatto ambientale e bassa tossicità:
• Refrigeranti : R134a, R245fa, NOVEC649, R449
• Siloxani: MDM, MDM2, MDM3, Toluene
72
RISULTATI CFD CON R245FA
Turbine stage design parameters
73
74
Simulation settings:
• Viscous 2-D turbulent flow (k-ω SST turbulence model implemented)
• Real gas properties provided by external library (e.g NIST-REFPROP)
• Structured mesh: 330066 total number of elements, C-shaped blocks
around the blades and H-shaped blocks at stage inlet and outlet
• y+ values less than 1 at the blade walls
75
Boundary conditions:
• total temperature, total pressure and velocity components are
imposed at the inlet
• average static pressure is set at the outlet
• mixing-plane boundary condition is set at the stator-rotor interface
76
Entropy deviation analysis: (S - Sin)/Sin
77
1. Camporeale SM, Pantaleo AM, Ciliberti PD, Fortunato B, "Cycle configuration analysis and
techno-economic sensitivity of biomass externally fired gas turbine with bottoming ORC",
(2015), Energy Conversion and Management, 105, pp. 1239-1250, DOI:
10.1016/j.enconman.2015.08.069
2. Pantaleo AM, Camporeale SM, Fortunato B, "Small scale biomass CHP: Techno-economic
performance of steam vs gas turbines with bottoming ORC", (2015), Energy Procedia, 82,
pp. 825-832, DOI: 10.1016/j.egypro.2015.11.819
3. Pantaleo AM, Ciliberti P, Camporeale SM, Shah N, "Thermo-economic Assessment of Small
Scale Biomass CHP: Steam Turbines vs ORC in Different Energy Demand Segments", (2015),
Energy Procedia, 75, pp. 1609-1617, DOI: 10.1016/j.egypro.2015.07.381
4. Bufi EA, Cinnella P, Merle X. "Sensitivity of supersonic ORC turbine injector designs to
fluctuating operating conditions." ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and
Exposition. American Society of Mechanical Engineers, 2015. Paper No. GT2015-42193, pp.
V02BT39A012; 15 pages, doi:10.1115/GT2015-42193
5. Bufi EA, Benoit O, Cinnella P. "Fast design methodology for supersonic rotor blades with
dense gas effects." 3rd International Seminar on ORC Power Systems, October 12-14, 2015,
Brussels, Belgium. 2015
78
Turbine eoliche ad asse verticale,
simulazioni CFD e caratterizzazione in
galleria del vento
Gruppo di Ricerca:
Sergio Mario CAMPOREALE, Bernardo FORTUNATO, Marco TORRESI
79
Galleria del Vento del DMMM
La galleria del vento del DMMM è una galleria subsonica a circuito chiuso
all’interno della quale è possibile testare prototipi di turbine ad asse verticale
e profili aerodinamici.
La sezione di prova è 1mx1m ed è possibile raggiungere una velocità di prova
di 40 m/s.
80
1. Torresi M, De Benedittis FA, Fortunato B, Camporeale SM (2014). Performance and Flow
Field Evaluation of a Savonius Rotor Tested in a Wind Tunnel, Energy Procedia 45, 207-216
2. Torresi M, Fortunato B, Camporeale SM (2012). Experimental and numerical investigation of
vertical axis wind turbines for distributed power generation. In: Proceedings of the 36th
Annual ARA Congress. Bari, 29 maggio - 3 Giugno 2012
3. Fortunato B, Comporeale SM, Torresi M, De Fazio D, Giordani M (2010). Experimental
Results of a Vertical Axis Wind Turbine. In: Proceedings of the biennial conference on
Engineering Systems Design and Analysis (ESDA2010); 1; 307-318
4. Fortunato B, Camporeale SM, Torresi M, De Fazio D, Giordani M (2010). Experimental results
of a vertical axis wind turbine. Proceedings of the ASME-ATI-UIT 2010 Conference on
Thermal and Environmental Issues in Energy Systems, Sorrento, Italy, May 16-19, 2010, pp.
1193-1198
5. Torresi M, Camporeale SM, Fortunato B (2008). Numerical investigation on the performance
of a Savonius Wind Turbine In: Proceedings of the 12th International Symposium on
Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Honolulu, Hawaii, February 1722, 2008.
81
Dynamic Stall
Gruppo di Ricerca:
Sergio Mario CAMPOREALE, Bernardo FORTUNATO, Marco TORRESI
82
Dynamic Stall
McCroskey [3] has classified the stall regimes into four categories based on
the maximum angle of attack, αmax, the blade achieves during the pitching
motion with respect to the static stall angle of attack, αss,:
Dynamic stall regimes. NACA0012 airfoil, α= α0+10sin(ωt), k=0.10
[3] W.J. McCroskey, “The phenomenon of dynamic stall”, Tech. Rep., Natl. Aeronaut. Space Admin.,
Washington, DC, 1981.
83
Dynamic Stall
Numerous experiments have shown that dynamic stall is characterized by the
shedding of vortices over the blade suction side.
1.
2.
3.
4.
First appearance of reversal flow near the trailing edge
A vortex begins to evolve near the leading edge
Full stall
Separated flow reattachment process
2
1
.
4
.
.
3
.
As observed by McCroskey, when
the
leading
edge
vortex
approaches the trailing edge, the
force coefficients achieve their
largest values and then drop
dramatically.
However secondary vortices
produce additional fluctuation in
the airloads, but at reduced
levels,
particularly
during
downstroke.
84
Dynamic Stall
1024 time step per cycle
50 iteration per time-step
Vorticity Magnitude [1/s] (k=0.050, Re=1.5e6, M=0.12)
α(t)=α0–Δαcos(ωt–φ)
85
Dynamic Stall
1024 time step per cycle
Lift coefficient (k=0.050, Re=1.5e6, M=0.12)
50 iteration per time-step
86
Dynamic Stall
Instantaneous time-dependent lift coefficient (cycle 41)
87
Dynamic Stall
Contours of vorticity magnitude
88
1. Torresi M, De Tomaso E, Fortunato B, Camporeale SM (2015). High frequency dynamics of
force coefficients in VAWT blades under dynamic stall condition, In: Proceedings of ASME
Turbo Expo 2015: Power for Land, Sea and Air, June 15-19, 2015, Montréal, Canada,
GT2015-42987
89

ricerca e sviluppo nel campo delle turbomacchine per recuperi

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