Cap5.4.2 Turbocompressori Regolazione

7/25/2019 Cap5.4.2 Turbocompressori Regolazione

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Politecnico di TorinoLaurea a Distanza in Ingegneria Meccanica Corso di Macchine

Appunti del Corso (Docente: Fabio Mallamo) 5. TURBOMACCHINE - pag. 126

5.4.9 REGOLAZIONE DEI TURBOCOMPRESSORI

Si distinguono due tipi di regolazione, a seconda del campo di impiego: laregolazione industriale e quellaaeronautica.

Regolazione industriale: lo scopo di questo tipo di regolazione mantenerecostante la pressione alla mandata del compressore, a fronte di variazioni diportate in massa richieste dallutilizzatore ed a parit di condizioni dellambientedi aspirazione (p1,T1).

Regolazione aeronautica: la regolazione utilizzata nella sovralimentazionedei motori alternativi di tipo aeronautico, ed il suo scopo di mantenere lapressione in mandata e la portata smaltita dal compressore (e dunque leprestazioni) costanti al variare delle condizioni dellambiente di aspirazione(p1z,T1z).

Metodi di regolazione

Le modalit solitamente impiegate per effettuare la regolazione sono leseguenti:

Reg.ind. Reg.aer.1. Laminazione alla mandata X X2. Laminazione allaspirazione X X3. Riflusso allaspirazione o bypass X X4. Variazione del numero di giri ndel compressore X X5. Variazione dellangolo di calettamento delle pale X NO

REGOLAZIONE INDUSTRIALE

In campo industriale lo scopo della regolazione solitamente quello dimantenere costante la pressione di mandata (richiesta dallutenza), al variaredella portata (secondo le esigenze dellutenza).I metodi di regolazione utilizzati sono i seguenti:

1) Interventi sulla caratteristica del sistema esternoa) laminazione alla mandatab) laminazione allaspirazione

c) riflusso allaspirazione o bypass2) Interventi sulla caratteristica di funzionamento (manometrica) della macchina

d) variazione della velocit angolaree) variazione dellangolo di calettamento delle pale fisse

Laminazione alla mandata

A fronte di uneventuale minor richiesta di portata da parte dellutenza, simantiene inalterata la pressione ps nel serbatoio di mandata semplicementechiudendo una valvola posta a valle del compressore (figura 5.4.38).


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Figura 5.4.38: Regolazione per laminazionealla mandata (schema dellimpianto).

Figura 5.4.39: Punti di funzionamento sullacaratteristica manometrica durante la

regolazione per laminazione alla mandata.

In condizioni di progetto il punto di funzionamento ad esempio il punto Arappresentato in figura 5.4.39, ed il compressore fornisce allutilizzatore unacerta portata ( am& ) alla pressione di mandata p2c=Ap1.Se lutenza richiede una diminuzione di portata, questa pu essere ottenutachiudendo progressivamente la valvola del condotto di mandata. La valvola dilaminazione viene regolata solitamente mediante un sistema automatico cherileva la pressione nellambiente di mandata, e apra o chiuda la valvola aseconda dellesigenza (per mantenere costante ps).Poich il numero di giri e le condizioni in aspirazione non variano, il nuovopunto di funzionamento (B) si trova sulla stessa curva caratteristica di A.Poich p1e T1non variano, lascissa del nuovo punto (B) proporzionale allanuova portata Bm& .Come si pu osservare, in seguito alla regolazione, il compressore elabora unrapporto di compressione maggiore:

B>A,

ma la maggior pressione di mandata p2c=B p1 fornita dal compressore utilizzata per vincere la dissipazione della valvola (attraverso la quale lapressione passa dal valore p2c al valore costante ps).

La minima portata ottenibile attuando questo metodo di regolazione fissatadal vincolo rappresentato dalla linea del pompaggio (punto M in figura 5.4.40).

Nel caso dei turbocompressori assiali, a causa della ripidit della caratteristica,lutilizzo di tale metodo di regolazione porta a rapidi avvicinamenti alla linea delpompaggio, ed pertanto non molto frequente.


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Figura 5.4.40: Margine di regolazione per laminazione alla mandata per iturbocompressori assaiale e centrifugo.

La regolazione per laminazione alla mandata porta ad una marcata riduzionedel rendimento. Il punto A nella figura 5.4.39 (punto di funzionamento incondizioni di progetto) generalmente situato in corrispondenza della zona dimassimo rendimento, e quindi il punto B verr a trovarsi in zone a rendimentosensibilmente inferiore (si ricordi il diagramma collinare dei rendimenti).La riduzione di rendimento complessivo delloperazione persino pi marcata

della riduzione di rendimento che si legge sulla mappa del compressore.Questo perch il rendimento riportato sulla mappa fa riferimento al rapporto dicompressione effettivamente elaborato dal compressore, e non tiene contodel fatto che per lutilizzatore il compressore continua a fornire una pressionecostantepsminore dip2(il compressore elabora un rapporto di compressioneapparente minore): una parte del lavoro di compressione dissipata nellavalvola di laminazione.

Dalla figura 5.4.41 si pu osservare come la regolazione per laminazione allamandata comporti un notevole aumento della temperatura T2B = T2S dimandata.

Il rendimento isentropico del compressore nel punto di funzionamento B ilseguente:

)21(

)21( ,,

Bi

isBisic

L

L

=

In realt, il lavoro isentropico di riferimento dovrebbe essere Li,is (1 2Ais) < Li,is(1 2Bis), cio il lavoro isentropico necessario ad arrivare a p2=ps(la pressionerichiesta dallutilizzatore). Una valutazione pi corretta del rendimento, pertanto,andrebbe effettuata come segue:

cBi

isAisicomplc

L

L T1Za, e quindi ci si sposta su una nuovacaratteristica (varia il numero di giri corretto, mentre il numero di giri effettivo delcompressore costante). Lo spostamento comunque modesto, poich lavariazione di temperatura con la quota piccola (circa 6.5 K ogni 1000m), ed attenuata dalla radice con cui compare la temperatura nellespressione delnumero di giri corretto.Il nuovo punto si individuer essendo note le condizioni allaspirazione p1ze T1ze considerando circa invariata la portata. Essendo prevalente leffetto dellavariazione di pressione al variare della quota, ci si sposta a sinistra rispetto alpunto di progetto sulla mappa del compressore (minore portata corretta).Partendo dallascissa cos determinata si individua il nuovo punto difunzionamento sulla nuova caratteristica (punto P in figura 5.4.51). La nuovapressione di mandata p2=Pp1z inoltre maggiore della pressione a monte delmotore p2.

Laminazione allaspirazione

Figura 5.4.52: Regolazione aeronautica perlaminazione allaspirazione (schema

dell'impianto).

Figura 5.4.53: Regolazione aeronautica perlaminazione alla mandata (variazione del punto di

funzionamento).

Si riduce la pressione alla bocca di aspirazione del compressore mediante lavalvola rappresentata in figura 5.4.52.Se fosse possibile trascurare la variazione di temperatura in ingresso al

compressore causata dalla variazione di quota, visto che la laminazione isoentalpica, si potrebbe effettuare la regolazione in modo da mantenere p1=p1zA (A il punto di progetto rappresentato in figura 5.4.53). Il nuovo punto difunzionamento si troverebbe sulla stessa curva caratteristica (n e T1 costanti) eallo stesso del punto iniziale (e dunque sarebbe identico al punto di progetto).

Essendo comunque la variazione della temperatura con la quota non rilevante,il nuovo punto di funzionamento si trover su una caratteristica poco distante daquella corrispondente alle condizioni di progetto (figura 5.4.53).Siano A il punto di funzionamento alla quota di adattamento e P il punto difunzionamento alla quota z cui si perviene in seguito a laminazione

allaspirazione. Uniti A e P allorigine O degli assi del piano della caratteristica


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manometrica, saranno identificati due segmenti (OA ed OP). Poich deveessere AP mm && = e p2=costante, i coefficienti angolari delle rette cuiappartengono i due segmenti sopra individuati valgono:

(retta OA) ( )zAAZAzAA

A

Tm

pp/Tm

1

2

11 &&

= ,

(retta OP) ( )zAzA

P

Tm

p

'p/Tm1

2

11 &&

= .

Come si vede, i due coefficienti angolari differiscono esclusivamente per ilvalore della temperatura ambiente, che tende ad aumentare al ridursi dellaquota di volo. Il coefficiente angolare della retta cui appartiene il segmento OPsar dunque leggermente inferiore rispetto a quello della retta cui appartiene il

segmento OA (figura 5.4.54). Ci comporta che il nuovo punto P sar moltovicino al punto A, visto che le due curve caratteristiche sono quasi coincidenti.Questo un evidente vantaggio rispetto alla regolazione per laminazione allamandata: il rendimento si mantiene pressoch costante.

Figura 5.4.54: Spostamento del punto di funzionamento del compressore sullacaratteristica manometrica in seguito a regolazione aeronautica per laminazione

allaspirazione.

Variazione del numero del giri

Se il turbompressore trascinato meccanicamente dal motore che devesovralimentare, questa regolazione attuabile solo qualora sia previsto unmeccanismo che consenta di regolare il rapporto di trasmissione delcollegamento tra le due macchine. I dispositivi di trasmissione devono alloraessere tali da realizzare rapporti elevati (la velocit del compressore deveessere dellordine delle decine di migliaia di giri al minuto, mentre il motoreruota a velocit angolari dellordine delle migliaia di giri al minuto).


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Figura 5.4.55: Regolazione aeronautica per variazione del numero di giri (spostamentodel punto di funzionamento).

La corrispondente regolazione industriale, come visto, implica uno spostamentodel punto di funzionamento lungo una linea a costante. Nella regolazioneaeronautica la situazione differente: la pressione in ingresso al compressorep1z aumenta al diminuire della quota. Dovendo essere p2costante al diminuiredella quota, deve diminuire in modo inversamente proporzionale allaumentodi p1z. Poich la portata effettiva rimane costante, diminuisce anche la portatacorretta (si passa dal punto A al punto P rappresentati in figura 5.4.55). Il nuovopunto di funzionamento individuabile allintersezione della linea a p2costantecon la nuova ascissa, nota: si determina cos il nuovo numero di giri nP. Ilcompressore dovr ruotare tanto pi lentamente quanto pi bassa la quota divolo.

La velocit di rotazione del compressore deve essere molto alta in quanto illavoro massico di compressione, a parit delle altre grandezze, come noto, proporzionale al quadrato della velocit periferica in uscita dalla girante:questultima deve essere notevole se si vogliono realizzare alti rapporti dicompressione. Si deduce, inoltre, come la velocit di rotazione delcompressore, a parit di rapporto di compressione realizzato, debba esseretanto maggiore quanto pi piccolo il diametro della macchina. Se ilcompressore piccolo, pertanto, non pu essere azionato meccanicamente dalmotore, perch il rapporto di trasmissione sarebbe irrealizzabile. E questo ilcaso dei turbocompressori per la sovralimentazione automobilistica, che sonotrascinati da una turbina azionata dai gas di scarico del motore.

Riflusso allaspirazione

La regolazione per riflusso allapirazione si attua scaricando nellambienteesterno la frazione di portata non richiesta dal motore.Nella corrispondente regolazione industriale il compressore non varia il propriopunto di funzionamento. Nella regolazione aeronautica, invece, il punto difunzionamento varia perch variano T1ze p1z: il nuovo punto di funzionamentosi trova su una caratteristica differente e con un minore (punto B in figura5.4.56). La portata complessivamente elaborata tende quindi ad aumentaresensibilmente: poich lobiettivo quello di mantenere costante la portata


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inviata al motore al variare della quota, la portata in eccesso viene scaricataallesterno mediante una valvola.

Figura 5.4.56: Regolazione aeronautica per riflusso allaspirazione (spostamento delpunto di funzionamento).

Lattuazione di questo tipo di regolazione risulta inefficiente nel caso dicaratteristiche manometriche con rami piuttosto piatti: la riduzione del rapportodi compressione impone in tal caso grandi spostamenti dal punto di progetto,con conseguente elevata riduzione del rendimento del compressore.

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