ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA
Sede di Bologna
TESI DI LAUREA
Laboratorio di Cad
STUDIO DI MASSIMA DI UNA
MICROTURBINA PER PRODUZIONE DI
ENERGIA ELETTRICA
CANDIDATO
MORETTI GIACOMO
RELATORE
PROF. ING. LUCA PIANCASTELLI
CORRELATORI
PROF. ING. GIANNI CALIGIANA
PROF. ING. ALFREDO LIVERANI
OBIETTIVO DELLA TRATTAZIONE
Valutazione del fluido da usare per smaltire il
calore generato dai cuscinetti durante il
funzionamento del gruppo turbogas.
I fluidi da valutare sono aria e metano.
La microturbina in questione ha funzioni ausiliarie,
quindi per il suo funzionamento non è richiesta
una particolare esigenza dal punto di vista del
rendimento.
E’ alimentata da una bombola di metano alla
pressione di 6 bar.
Da qui l’ idea di poter sfruttare il metano per la
dissipazione del calore generato dai cuscinetti
durante il funzionamento e, nel caso non
fosse idoneo, usare aria prelevata dal compressore.
SVOLGIMENTO
• Acquisizione dati sperimentali di una microturbina
esistente.
• Calcolo delle reazioni sui cuscinetti e ricerca del
cuscinetto più sollecitato.
• Calcolo tramite bilancio di energia termica delle
2 opzioni : aria o metano come fluido di
raffreddamento.
Verrà quindi eseguita un’analisi differenziale delle
2 situazioni.
Nella trattazione dove si usa il metano come
fluido di dissipazione si avrà un limite che ci dirà
se è possibile o no usare questo gas :
-la temperatura d’uscita del metano ,dopo lo
scambio termico, non potrà essere superiore alla
temperatura di autoaccensione che è di 650 C°.
-ovviamente bisognerà rimanere lontano da questa
temperatura, per usare il metano si dovranno
mantenere valori non superiori ai 400 C°.
Calcolo del carico sui cuscinetti
Il cuscinetto più sollecitato lo si trova calcolando :
• Reazioni dovute alla forza peso del gruppo turbina più
compressore
• Reazioni dovute alla forza centrifuga che si genera per
dell’eccentricità della massa rotante.
La struttura è assimilabile in entrambi i casi ad una trave
isostatica (carrello-cerniera).
Il carico è a sbalzo e, considerando che la turbina è in acciaio
mentre il compressore in alluminio, il baricentro del gruppo
cade esternamente al cuscinetto più vicino alla turbina,
cuscinetto che ovviamente sarà quello più sollecitato.
La reazione totale è formata dalla somma delle 2 reazioni,
tuttavia la reazione alla forza peso è trascurabile rispetto
alla reazione dovuta alla forza centrifuga.
Metodo di studio del cuscinetto
In base ai dati tecnici noti che sono:
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P ---CARICO SUL CUSCINETTO
N --- VELOCITA’ DI ROTAZIONE
µ ---VISCOSITA’ DEL FLUIDO
pm ---PRESSIONE MEDIA
Te ---TEMPERATURA DI ALIMENTAZIONE DEL LUBRIFICANTE
ρ ---DENSITA’ DEL LUBRIFICANTE
c ---CALORE SPECIFICO DEL LUBRIFICANTE
N’=N / 60
possiamo trovare il numero di Sommerfeld.
Trovato il numero di Sommerfeld possiamo determinare
Coefficiente d’Attrito del fluido f
Portata di alimentazione del fluido
Qs
Imponendo che tutto il calore generato durante il
funzionamento venga ceduto al fluido, si può trovare la
temperatura media di funzionamento tramite
l’equazione :
f*P*π*N’ *D = (Tm-Te)*c*ρ*Qs
Alimentando il cuscinetto con il metano alla portata calcolata
di 24.6*10-6 m3/s si ottiene una temperatura di 720 C°,
superiore alla temperatura di 650 C° e quindi non si è in grado
di poterlo usare per la dissipazione del calore generato.
Nel caso dell’ alimentazione con aria, con una portata di
24*10-6 m3/s, si raggiunge una temperatura di 1131 C° che
risulta eccessiva.
Si può tuttavia calcolare il bilancio di potenza termica e trovare
la portata minima di fluido ,nei 2 casi, che raffredda il
cuscinetto.
CALCOLO DELLA PORTATA MINIMA DI METANO
NECESSARIA AL RAFFREDDAMENTO DEL
CUSCINETTO :
Calcoliamo ora la potenza termica Pt, note la potenza motore P e il
rendimento η = 13%.
• Pt= P/ η
Calcoliamo la portata di metano minima, Pmm
• Pmm = Pt / c , dove c è il calore specifico del metano
Note :
• Pmc , portata metano cuscinetto
• Tma = 100 C ° , temperatura massima ammissibile in uscita dal
cusicnetto
• Tumc , temperatura di uscita del metano dal cuscinetto 720 C°
• Tmi , temperatura d’ingresso del metano 50 C°
L’ equazione di bilancio ci dà :
(c*Tmc)*(Pmm+Pmc) = (Pmm*Tmi*c) + (Pmc*c*Tucm)
Si ottiene una portata di 0.0000471468 kg/m3 inferiore alla
portata massima di alimentazione.
La portata che si ottiene è compatibile con le specifiche e
pertanto si possono raffreddare i cuscinetti con il metano.
CALCOLO DELLA PORTATA MINIMA D’ARIA NECESSARIA
AL RAFFREDDAMENTO DEL CUSCINETTO :
La potenza P, la potenza termica Pt e il rendimento rimangono quelli
precedentemente visti.
Calcoliamo la portata di aria minima, Pam
Pam = Pt / c , dove c è il calore specifico dell’ aria
Note :
Pac = portata d’aria cuscinetto
Tmauc = 125 C ° , temperatura massima ammissibile in uscita dal cuscinetto
Tuacu , temperatura di uscita dell’aria dal cuscinetto 1131 C°
Tuaco , temperatura di uscita dell’aria dal compressore 117 C°
L’ equazione di bilancio ci dà :
(c*Tmauc)*(Pam+Pac) = (Pam*Tuacu*c) + (Pac*c*Tuaco)
Si ottiene una portata di 0.003018 kg/m3 inferiore alla
portata massima di alimentazione.
Anche nel caso dell’aria, la portata che si ottiene è
compatibile con le specifiche e pertanto la si può usare per
raffreddare il cuscinetto.
