Analisi della risposta forzata dovuta ad effetti di non stazionarietà del flusso nella turbina di bassa pressione. = Aeromechanics analysis of CFD unsteady impact on LPT rows forced response.

Lo scopo di questa tesi si pone all’interno di un progetto ben più ampio e ambizioso denominato GREAT2020 con l’obiettivo di rendere l’aviazione civile sempre più sostenibile ed ecompotabile. Questi obiettivi sono raggiungibili soltanto attraverso un’accurata ed efficiente progettazione delle componenti che costituiscono il motore aeronautico al fine di aumentarne il rendimento, ridurne il dispendio di carburante e quindi abbattere le emissioni degli agenti inquinanti. Avio Aero leader nella progettazione delle turbomacchine ha sviluppato, in collaborazione con il Politecnico di Torino, un software in grado di effettuare un’analisi aeromeccanica preliminare della turbina di bassa pressione con l’obiettivo di ridurre i tempi e i costi di progettazione, permettendo quindi la ricerca di nuove soluzioni ingegneristiche che consentano di soddisfare gli obiettivi preposti. Il software, denominato PRIME (Preliminary Integrated Multidisciplinary Enviroment), integra al suo interno la possibilità di realizzare il CAD, partendo da una geometria ottimizzata a garantire la massima efficienza aerodinamica, per poi effettuare tutta una serie di analisi strutturali e aerodinamiche che consentano di definire completamente il comportamento della pala. Questa dissertazione punta l’attenzione sull’analisi della risposta forzata della turbina di bassa pressione prodotta dalla non stazionarietà del flusso. Si cerca di investigare su quelle che sono le interazioni tra le forzanti armoniche, prodotte appunto dal flusso, ed i modi di vibrare propri della struttura, quindi del complesso disco-pala, con l’obiettivo di individuare la presenza di eventuali criticità che possano compromettere il corretto funzionamento del motore all’interno del range operativo. Il campo non stazionario richiede un’analisi CFD dall’elevato costo computazionale, soprattutto se la si estende a tutto il complesso turbina. La soluzione che è stata adottata sfrutta i modelli mixing plane, con il quale è possibile determinare la soluzione media, steady state, sull’intera macchina, in modo tale da estrarre le condizioni al contorno ed i campi di inizializzazione per le successive analisi nel dominio del tempo sulla schiera di interesse. La riduzione dei tempi di calcolo è stata ottenuta sfruttando la natura armonica dei fenomeni non stazionari mediante l’ausilio di opportuni modelli di periodicità. I risultati ottenuti dall’analisi non stazionaria sono stati poi impiegati per valutare la risposta forzata mediante un tool sviluppato all’interno di Avio: @Forced. Dopo aver eseguito alcune analisi di validazione dei codici utilizzati, si è provveduto ad integrare tali funzioni all’interno di PRIME in modo tale da rendere l’intero processo automatico. Sviluppi futuri, sempre nell’ottica di progettazione preliminare, mirano a ridurre drasticamente i tempi di calcolo computazionali per un’analisi non stazionaria, con un opportuno margine di errore, sfruttando le informazioni provenienti dallo steady state e da alcune proprietà della turbomacchina.