Vorraro, Giovanni (2014) Metodologie teorico-sperimentali per l'analisi delle prestazioni di turbosovralimentatori. [Tesi di dottorato]

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Abstract

Il presente lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo di metodologie teorico-sperimentali per il rilievo delle prestazioni delle turbomacchine ed in particolare dei turbo-sovralimentatori per motori a combustione interna. Lo scopo di tale lavoro è stato quello di mettere a punto un banco prova per turbocompressori, altamente flessibile e utile ad effettuare sia la ricerca di base che lo studio approfondito delle particolari problematiche di funzionamento di tali macchine. In particolare, il rig è stato progettato in modo tale da poter realizzare sia prove in regime stazionario, utili per la determinazione delle mappe di funzionamento di turbina e compressore, sia prove in regime instazionario per lo studio di particolari fenomeni quali il surge (pompaggio), il turbo-lag, etc. Dopo aver effettuato una attenta analisi bibliografica sulle sale prova realizzate per finalità simili, per la realizzazione dell’UNINA Turbocharger Test Rig si è scelto di utilizzare come generatore di gas caldi un motore a combustione interna a ciclo diesel, in modo da replicare quanto più fedelmente possibile le reali condizioni di funzionamento dei turbocompressori. Allo stesso tempo, scegliendo il motore endotermico alternativo, si è sfruttato appieno l’elevato grado di know-how, già presente all’interno del gruppo di ricerca, nei confronti di tali macchine. Il motore è stato poi privato del suo gruppo di sovralimentazione originale, in modo tale che i gas di scarico possano conservare completamente il loro contenuto energetico, da destinare successivamente al turbocompressore oggetto della sperimentazione. Successivamente alla rimozione del sovralimentatore originario, per garantire al motore il giusto grado di sovralimentazione e quindi evitare un degradamento delle prestazioni dello stesso, si è realizzato un complesso sistema di sovralimentazione esterna basato sull’utilizzo di due compressori a vite operanti in parallelo. Per preservare il funzionamento del motore, i fluidi elaborati da entrambi i compressori vengono preventivamente raffreddati all’interno di uno scambiatore di calore di tipo counterflow. Il sistema di sovralimentazione esterno e tutti i trasduttori di misura presenti all’interno della sala sono gestiti completamente attraverso un articolato sistema di controllo e acquisizione dati, appositamente realizzato e basato su hardware prodotto dalla National Instruments. Nella fattispecie, è stato utilizzato il sistema modulare denominato Compact FieldPoint e la performante scheda di acquisizione PCI6133, facente parte della famiglia di schede S Series Multifunctional DAQ, capace di effettuare campionamenti a 14 bit con una sampling frequency di 3 MS/s per canale. Per stabilire l’accuratezza dei sensori è stato condotto un approfondito studio analitico applicando la normativa internazionale “ISO Guide to the expression of uncertainly in measurement”, nota comunemente come ISO-GUM, valutando così le incertezze di misura di tutte le grandezze direttamente misurate. Per il sistema di controllo automatico della sala, l’acquisizione e la visualizzazione dei dati provenienti dalle schede di acquisizione National Instruments, si sono realizzati appositi Virtual Intrsuments attraverso il linguaggio di programmazione LabVIEW®. Si sono realizzati quindi i subVI per il controllo e l’acquisizione dei dati provenienti dal MCI, dal turbocompressore in prova e da tutti i servizi ausiliari presenti in sala. Di particolare rilievo è risultata la realizzazione dei subVI per il sistema di sovralimentazione automatica del MCI, dell’acceleratore elettronico e del sistema di controllo in remoto del freno dinamometrico: l’implementazione di tale parte del codice ha reso il banco prova motori equivalente ad uno di tipo dinamico, aumentandone notevolmente la flessibilità e permettendo la realizzazione degli innovativi test in regime instazionario sui turbocompressori. Dopo aver effettuato simulazioni e test preliminari per la validazione del Virtual Instrument realizzato, si è proceduto alla realizzazione delle prove in regime stazionario su un turbocompressore di taglia media prodotto dalla Garrett, siglato GT2052ELS. La mappa di funzionamento reale del compressore è stata rilevata attraverso una serie di test della macchina in regime stazionario. Utilizzando poi un codice scritto in MATLAB®, sono stati calcolati il rendimento isoentropico, il rendimento politropico e il lavoro reale della macchina. Sono stati calcolati inoltre i coefficienti adimensionali di portata e di lavoro φ e ψ che hanno permesso di stimare gli angoli di flusso reali β'_2 all’uscita della ruota del compressore e attraverso un procedimento grafico effettuato con un software CAD si è potuto stimare anche l’angolo β'_2∞ che permette il calcolo del lavoro ideale L_∞. E’ stato analizzato inoltre, per la macchina oggetto di studio, il fenomeno di slip, attraverso il confronto dei risultati di φ e ψ ricavati dai dati sperimentali con quelli ricavati dai modelli proposti da Stodola e da Wiesner, riscontrando un ottimo accordo proprio con il modello proposto da quest’ultimo Autore. I test in regime instazionario effettuati sul turbocompressore hanno rappresentato una vera e propria innovazione nell’ambito della sperimentazione sulle turbomacchine destinate alla sovralimentazione dei motori a combustione interna. Sfruttando appieno la flessibilità del banco prova realizzato e dei Virtual Instruments implementati per il controllo della sala, è stato possibile gestire in modo dinamico il motore, assegnandogli determinate leggi temporali di carico e velocità di rotazione. In questo modo si sono potute effettuare le acquisizioni dei dati durante le manovre effettuate dal generatore di gas caldi, determinando così le evoluzioni dinamiche compiute dal turbocompressore, soggetto ad una forzante esterna variabile nel tempo. Attraverso l’utilizzo di alcune manovre particolari da parte del motore, si è potuto approfondire lo studio del fenomeno di surge che rappresenta uno tra i fenomeni più critici in cui può incorrere il compressore. I rilievi sperimentali hanno mostrato che all’occorrenza di tale criticità si hanno forti oscillazioni delle pressioni e del regime di rotazione della macchina. La portata massica, in tali condizioni, addirittura inverte il verso, fluendo dalla mandata all’aspirazione, provocando notevoli sollecitazioni meccaniche alle palettature del compressore.

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