CAE e Design - Caratterizzazione Fluodinamica di una Turbina: L'analisi CFD a Portata Costante
- FGCAEANALYST
- 5 giorni fa
- Tempo di lettura: 4 min
L'analisi delle macchine operatrici e motrici ha fatto passi da gigante grazie alla fluidodinamica computazionale (CFD).
Quando si progetta una turbina, non basta conoscere il suo punto di funzionamento ideale; è necessario mapparne l'intero comportamento cinematico.
Il CFD come banco prova virtuale
In fase di progettazione, è raro conoscere a priori l'esatta velocità di rotazione a cui la turbina lavorerà, poiché essa dipende dal carico meccanico o elettrico applicato. Eseguire una serie di simulazioni CFD mantenendo la portata fissa e variando progressivamente la velocità di rotazione permette di "scansionare" la macchina. Questo approccio è fondamentale per:
Svincolare la prestazione aerodinamica dalle variabili esterne (il carico).
Ottenere una "carta d'identità" completa della girante.
Ridurre i costi di prototipazione fisica, testando virtualmente condizioni limite.
Attraverso questo set di simulazioni, si estraggono i dati necessari per la progettazione del sistema completo:
Coppia Motrice (T): La forza rotazionale generata dal fluido sulle pale.
Potenza Meccanica (P): Calcolata come P = T*n, indica l'energia utile estratta nell'unità di tempo.
Coppia di Spunto: Il valore di coppia a velocità zero, fondamentale per la dinamica di avvio.
Velocità di Fuga: La velocità massima raggiungibile dalla turbina in assenza di carico.
Coefficienti Adimensionali: Parametri come il Cp (coefficiente di potenza) e il lambda (tip speed ratio), che permettono di confrontare turbine di dimensioni diverse.
Tali valori possono essere riportati in un grafico di questo tipo:
Il primo grafico rappresenta la potenza della turbina calcolata a diverse velocità di rotazione, mentre il secondo rappresenta la coppia della girante sempre a diverse velocità. L'analisi delle curve permette di comprendere la "natura" della turbina. Una curva di coppia lineare, ad esempio, suggerisce un comportamento regolare del fluido attraverso le pale. Un andamento parabolico della potenza, invece, definisce chiaramente il BEP (Best Efficiency Point). Un progettista utilizzerà queste informazioni per scegliere un generatore o un moltiplicatore di giri che porti la turbina a lavorare il più vicino possibile al vertice di tale parabola.
Vediamo a livello pratico come si ottengono queste curve utilizzando la simulazione CFD come banco prova.
CASO STUDIO: Analisi Del Funzionamento Di Una Turbina
In questo caso si ipotizza una simulazione 2D per semplicità di calcolo e di tempistiche per un caso di esempio.
La geometria è quella impostata nella figura in alto.
Il flusso entra da destra ed esce a sinistra. La rotazione della girante è in senso orario.
Si fissa la portata e si fa variare la velocità di rotazione tra 0 e 300 RPM (si consiglia almeno 5 punti di calcolo)
Prendiamo come riferimento le velocità di 0 RPM, 100 RPM,300 RPM e rappresentiamo il campo di velocità
Le curve caratteristiche si ottengono integrando le grandezze alle superfici di riferimento.
La potenza invece andando a calcolare la coppia intorno all'asse di rotazione e moltiplicandola per la velocità di rotazione.
Qui di seguito si ripotano i valori in base alle velocità di rotazione in funzione della velocità di rotazione.
Si riportano questi valori su un grafico e si stimano le curve.
Prendendo in esame i dati analizzati si ottengono le seguenti equazioni per la coppia e per la potenza: T = -0.0091n + 2.321 e P = -0.001n^2 + 0.2483n
si possono quindi ricavare le seguenti informazioni:
Capacità di Avvio: La turbina mostra una Coppia di Spunto di 2.3 Nm. Se il carico iniziale (attriti + inerzia) è inferiore a questo valore, la turbina è auto-avviante.
Punto Ottimale: La massima potenza viene erogata a circa 124 RPM. Questo è il target operativo per massimizzare la produzione energetica.
Stabilità: La pendenza negativa della curva di coppia assicura stabilità meccanica: se la velocità aumenta accidentalmente, la coppia diminuisce, tendendo a riportare il sistema verso l'equilibrio.
Cosa succede quando la turbina non lavora nel suo punto di massimo rendimento? I grafici CFD ci danno la risposta:
Regime di Bassa Velocità (Sotto-carico): Se la velocità è troppo bassa (es. < 50), la coppia è alta ma la potenza è scarsa. Il fluido "spinge" molto ma la macchina si muove troppo lentamente per convertire efficacemente l'energia cinetica.
Regime di Alta Velocità (Fuga): Avvicinandosi a 255 RPM, la potenza crolla verso lo zero. In questa condizione, la velocità periferica delle pale è quasi uguale alla velocità del fluido: le pale "scappano" dal flusso e non riescono più a estrarre coppia.
Zona Dissipativa: Oltre la velocità di fuga, la potenza diventerebbe negativa. In questo scenario, la turbina non sta più estraendo energia, ma agisce come un ventilatore, consumando energia per muovere il fluido.
L'analisi della coppia e della potenza qui presentata costituisce solo una parte del vasto spettro di informazioni che si possono ricavare da una simulazione CFD di una turbina utilizzata come banco prova virtuale.
Oltre alle prestazioni globali, questo approccio permette di investigare la fluidodinamica locale — come la formazione di vortici, i distacchi di vena sui profili o le perdite di carico nei condotti — fornendo al progettista gli strumenti per ottimizzare la geometria prima ancora della realizzazione del prototipo fisico. La capacità di prevedere il comportamento in condizioni di stallo, di spunto e di fuga rende la CFD un passaggio imprescindibile per garantire non solo l'efficienza energetica, ma anche la sicurezza e la stabilità operativa dell'intero sistema turbomacchina.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
FGCAEANALYST è al servizio delle aziende.
Hai un progetto che richiede un supporto alla progettazione?
Non aspettare: ogni giorno di ritardo costa tempo e risorse alla tua azienda.
Contattaci per una preventivo gratuito cliccando al seguente link.
Commenti