Analisi dei flussi secondari e analisi FEM 2D del rotore di una turbina a gas = Secondary flow analysis and 2D FEM analysis of the gas turbine rotor

Il presente lavoro di tesi nasce da un progetto di collaborazione tra il Politecnico di Torino e la sede italiana di EthosEnergy S.p.a., azienda specializzata nella progettazione, produzione e manutenzione di turbine a gas. Il lavoro principale riguarda l’analisi dei flussi secondari del rotore, i cui risultati vengono utilizzati per definire le condizioni al contorno di due successive analisi: quella meanline e streamline del flusso principale e quella termo-strutturale del rotore. I risultati ottenuti dalle analisi citate precedentemente rientrano in definitiva nello studio conosciuto come Life Time Evaluation. Il case study, presentato nel secondo capitolo, concerne una turbomacchina a gas monoalbero a ciclo semplice, la FR1625, utilizzata per la produzione di energia elettrica tramite generatore. Nel terzo capitolo si presenta l’analisi principale, ovvero quella che riguarda la modellazione dei flussi di raffreddamento: questi hanno la funzione di mantenere il rotore turbina, a contatto coi gas caldi, a temperature operative ragionevoli, in modo da assicurare alla macchina una vita più duratura. Si offre dapprima una descrizione dello strumento impiegato per modellare la rete di portate di raffreddamento (Compressible flow network computer program). In seguito, si procede illustrando la modellazione vera e propria del percorso che l’aria di raffreddamento segue, partendo dall’estrazione nel compressore fino ad arrivare alla confluenza nel flusso principale. Il flow network complessivo è diviso in due sotto-modelli che vengono infine uniti tramite un processo iterativo. I risultati che si ottengono sono le pressioni in determinati punti del percorso fluido (camere) e i valori delle portate distribuite nei canali che compongono la rete di raffreddamento. Una seconda analisi viene presentata nel capitolo quattro e riguarda lo studio del transitorio termo-strutturale di un modello 2D del rotore complessivo (compressore e turbina). Lo strumento utilizzato per questo studio è il software di simulazione ingegneristica Ansys. Inizialmente si riporta l’analisi termica in condizioni di regime con la finalità di introdurre le condizioni al contorno termodinamiche. Infine, si analizza il transitorio termico e termo-strutturale del complessivo, focalizzando l’attenzione sull’andamento di temperature e tensioni in diversi punti critici. Tra gli sviluppi futuri di questo lavoro rientra l’obiettivo generale dell’azienda, vale a dire il programma di Life Time Extension. Lo scopo principale del programma LTE è la riprogettazione dei componenti del rotore per creare un piano di manutenzione che consenta di estendere la vita utilie oltre quella raccomandata dall’OEM.