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Cenni di simulazione e calcolo di Turbine a Gas in condizioni di Fuori Progetto Enrico Lo Gatto Cranfield University

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Presentazione sul tema: "Cenni di simulazione e calcolo di Turbine a Gas in condizioni di Fuori Progetto Enrico Lo Gatto Cranfield University"— Transcript della presentazione:

1 Cenni di simulazione e calcolo di Turbine a Gas in condizioni di Fuori Progetto Enrico Lo Gatto Cranfield University

2 19/06/20062 Sommario Analisi DimensionaleAnalisi Dimensionale Mappe caratteristiche dei componentiMappe caratteristiche dei componenti Equilibrium running lineEquilibrium running line Accoppiamento tra componentiAccoppiamento tra componenti Fuori Progetto: calcolo diretto semplificatoFuori Progetto: calcolo diretto semplificato Esempio: Turbogetto Single SpoolEsempio: Turbogetto Single Spool Fuori Progetto: studio delle mappeFuori Progetto: studio delle mappe

3 19/06/20063 Introduzione Punto di progetto: condizione di funzionamento in cui ogni componente opera nelle condizioni per cui è stato progettato;Punto di progetto: condizione di funzionamento in cui ogni componente opera nelle condizioni per cui è stato progettato; Fuori Progetto: Altri punti della curva di voloFuori Progetto: Altri punti della curva di volo accensione, taxi e atterraggio regimi a potenza ridotta diversa altitudine condizioni ambientali Impatto su consumo specifico e potenza/spinta massima

4 19/06/20064 Analisi Dimensionale

5 19/06/20065 Caratteristiche Caratteristiche: Pressione (P 2 ) e Temperatura (T 2 ) alluscita in funzione della portata di fluido (m) a diverse velocità di rotazione (N). Dipendenze Dipendenze: Condizioni in entrata (P 1 e T 1 ), tipo di fluido (ρ,Re), dimensioni (D) 1.RT [M 2 S -2 ] invece di T per poter considerare Gas diversi (R diversi) 2.ρ incluso con p e RT 3.Viscosità gruppo non-dimensionale funzione di Reynolds trascurabile in condizioni di alta turbolenza Note

6 19/06/ incognite 3 unità fondamentali 7 – 3 = 4 Gruppi Non-Dimensionali Dimensioni (D) fissate e fluido (R) assegnato

7 19/06/20067 Rapporto di pressione Portata corretta Velocità di rotazione corretta Efficienza Caratteristiche dei componenti

8 19/06/20068 Mappe Caratteristiche dei componenti

9 19/06/20069 Compressore Costruzione delle mappe: necessità di un motore elettrico esterno e un dispositivo per variazione di portata surge line Portata massima velocità di rotazione (N) costante 1: saturazione (chocking) 1 3 : comportamento stabile. 4: possibilità di pulsazioni dinamiche (surge) Problemi: modelli in scala motore completo con ugello variabile Soluzioni: compressore richiede molta potenza condizioni diverse da quelle effettive di funzionamento

10 19/06/ Compressore Costruzione delle mappe: ripetendo il procedimento a diverse velocità di rotazione (percentuali della velocità di progetto) si ottengono due mappe: surge line Linea di massima efficienza (relativa al punto di progetto) (relativa al punto di progetto)

11 19/06/ Condizioni limite surge line c b a CaCa CbCb U uw + Chocking negli ultimi stadi Chocking allingresso Stallo ultimo stadio UcUc UaUa + - u w

12 19/06/ Combustore Efficienza (η cc ) Efficienza (η cc ) : due definizioni Perdite di Pressione: 1.Perdite calde: flusso di Raleigh 2.Perdite Fredde: 2% - 4 %

13 19/06/ Turbina chocking Disegnata per operare in condizione di soffocamento flusso massimo diversi tipi di soffocamento PR e portata aumentano con la velocità di rotazione variazione con la velocità di rotazione può essere trascurata curva singola η T cresce col PR raggiunto il massimo rimane costante per un ampio range di PR il gradiente favorevole di pressione garantisce perdite di pressione limitate su un ampio ragio di incidenze η T è approssimativamente costante vicino al punto di progetto

14 19/06/ Ugello soffocamento caratteristica molto simile alla turbina impatto sul core engine simile a quello di una turbina di potenza turbogas aero-derivati restringe il campo dazione di compressore e turbina larea dellugello nel punto di progetto rimane costante nel fuor progetto (a meno di geometria variabile) A e

15 19/06/ Equilibrium Running Line Luogo dei punti di sulla mappa del compressore compatibili col punto di funzionamento degli altri componentiLuogo dei punti di sulla mappa del compressore compatibili col punto di funzionamento degli altri componenti Il motore è considerato in equilibrio: no accelerazioni o scambi termici.Il motore è considerato in equilibrio: no accelerazioni o scambi termici. Ottenuta tramite limpiego di una procedura iterativa imponendo diverse velocità di rotazioneOttenuta tramite limpiego di una procedura iterativa imponendo diverse velocità di rotazione Imponendo condizioni su turbine e ugelli è ottenibile tramite un calcolo diretto in condizioni statiche senza bisogno delle mappeImponendo condizioni su turbine e ugelli è ottenibile tramite un calcolo diretto in condizioni statiche senza bisogno delle mappe

16 19/06/ Equilibrium Running Line surge line Equilibrium running line

17 19/06/ Accoppiamento turbina-ugello Area dellugello aumentata due turbine in serie si comportano allo stesso modo il punto di funzionamento della turbina è fissato dal flusso che passa attraverso lugello; solo cambiando larea dellugello o dei vani della turbina (NGV) cambierà il rapporto di espansione; ugello non è saturato running lines multiple saturazione Ugello non saturato

18 19/06/ Fuori Progetto: Calcolo Diretto

19 19/06/ Ipotesi esemplificative 1.Turbina e ugello operano in condizioni di saturazione; 2.Lugello è a geometria costante; 3.Lefficienza della turbina è costante e pari al valore di progetto; 4.Lefficienza del compressore è costante e pari al valore di progetto

20 19/06/ Esempio: Turbogetto C T 2 0=1 PD conv div CC 7

21 19/06/ Calcolo nel punto di progetto βcβcβcβc m a (kg/s) TET(K) η mc η mt η pd ηcηcηcηc ΔP cc ηbηbηbηb ηtηtηtηt %10.9 P a (kPa) T a (K) MaMaMaMa ηnηnηnηn c pa (J/kgK) c pg (J/kgK) γaγaγaγa γgγgγgγgR(J/kgK) Q f (kJ/kg)

22 19/06/ A e (m 2 ) F N (kN) TSFC(kg/h/kN) Condizioni esemplificative mT4/P4T4/T5P4/P Calcolo nel punto di progetto Prestazioni con ugello convergente saturato

23 19/06/ Calcolo di fuori progetto - funzionamento in quota - βcβcβcβc m a (kg/s) TET(K) η mc η mt η pd ηcηcηcηc ΔP cc ηbηbηbηb ηtηtηtηt %10.9 P a (kPa) T a (K) MaMaMaMa ηnηnηnηn Notaβcm a Nota. βc e m a sono ottenuti durante il calcolo del ciclo

24 19/06/ Step 1 Presa Dinamica Conoscendo le condizioni ambientali e il Mach di volo calcoliamo le condizioni allingresso del compressore

25 19/06/ Step 2 Compressore Ipotesi: Dal bilancio energetico allalbero:

26 19/06/ Step 3 Perdite di pressione nella camera di combustione = 5% Step 4 Imponiamo la condizione di turbina in chocking: Nota. Nota. In genere combustibile 2% aria

27 19/06/ Step 5 Ricaviamo la portata di combustibile da un calcolo semplificato in camera di combustione:

28 19/06/ Step 6 Turbina Imponiamo le condizioni esemplificative utilizziamo i valori ricavati dal calcolo del ciclo in condizioni di progetto

29 19/06/ Step 7 Ugello convergente chocking Nota. Nota. Larea di uscita è rimasta invariata

30 19/06/ Step 8 Prestazioni – ugello conv in chocking Essendo il rapporto di pressione dellugello molto maggiore (>6) del rapporto critico ci si aspetta un miglioramento delle prestazioni tramite lutilizzo di un ugello convergente – divergente

31 19/06/ Step 7 Ugello conv-div adattato

32 19/06/ Step 8 Prestazioni – ugello conv-div adattato Come aspettato si nota un sostanziale miglioramento delle prestazioni (8%)

33 19/06/ A e (m 2 ) F N (kN) TSFC(kg/h/kN) A e (m 2 ) F N (kN) TSFC(kg/h/kN) Prestazioni con ugello conv in chocking Calcolo di fuori progetto - funzionamento in quota - Prestazioni con ugello conv-div adattato

34 19/06/ Fuori Progetto: studio delle mappe

35 19/06/ Effetto del Mach di volo - running lines multiple surge line Equilibrium running line running line con ugello non-saturato saturazione Ugello non saturato

36 19/06/ Effetto dellAltitudine Effetto della diminuzione di densità portata F NEffetto della diminuzione di densità portata F N Nella Troposfera (11Km):Nella Troposfera (11Km): N = cost, T 1 N/ T 1 N = cost, T 1 N/ T 1 PR TET SFC PR TET SFC Nella Stratosfera (>11Km): T 1 =cost SFC costanteNella Stratosfera (>11Km): T 1 =cost SFC costante Effetto del Numero di ReynoldsEffetto del Numero di Reynolds 1125 Altitudine (km) Temperatura (K) Pressione (kPa) Altitudine (km) 1125

37 19/06/ S A Effetto dellAltitudine

38 19/06/ Effetto della Temperatura Ambiente 1.0 B A A = Standard B = Caldo

39 19/06/ Bibliografia Gas Turbine Theory, HIH Saravannamutto, GFC Rogers, H Cohen Gas Turbine Performance, P Walsh, P Fletcher Jet Engine. Foundamental & Theory, Design and Operation, K Hünecke Jet Propulsion: A simple guide to Aerodynamic and thermodynamic design and performance of jet engines, N Cumptsy Gas Turbine Theory and Performance, P Pilidis, MSc Course Notes, Cranfield University Gas Turbine Performance Simulation, V Pachidis, MSc Course Notes, Cranfield University


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