Aerotermodinamica dei motori aeronautici

Lo sviluppo di motori aeronautici efficienti ed a ridotto impatto ambientale deve basarsi su un progetto integrato che consenta di ottimizzare il ciclo termodinamico del sistema motore (ciclo Brayton-Joule), l’efficienza propulsiva dell’intero sistema ed i rendimenti di ogni singolo componente che costituisce il motore stesso. La limitazione della temperatura all’ingresso della turbina di alta pressione, legata a limiti di resistenza termomeccanica delle pale, e l’elevato lavoro specifico richiesto alla pale della turbina di bassa di pressione (che muove il fan nel caso di turbogetti a doppio flusso) rappresentano i maggiori limiti all’incremento delle prestazioni del motore. Su questi temi sono state condotte intense attività di ricerca presso il Laboratorio di Aerodinamica e Turbomacchine mirate alla caratterizzazione aero-termodinamica di sistemi di raffreddamento per la protezione termica delle pale di alta pressione ed allo sviluppo di pale di turbina di bassa pressione ad elevata portanza.
L’efficienza termica di sistemi di refrigerazione interna (canali ribbati) ed esterna (raffreddamento a film) è stata analizzata sperimentalmente per identificare soluzioni innovative che consentano di innalzare la temperatura di ingresso in turbina, e con essa il rendimento termodinamico del motore.
Analisi sperimentali su modelli di turbina mono e bi-stadio, con e senza la presenza di flussi di cavità, consentono di analizzare in dettaglio il campo di moto che si sviluppa in configurazioni assialsimmetriche operanti con condizioni al contorno simili a quelle reali di esercizio del motore. Nel caso reale infatti la rotazione relativa tra schiere rotoriche e statoriche genera un campo di moto con carattere fortemente periodico che altera significativamente l’evoluzione del flusso rispetto alla condizione stazionaria, e con esso la generazione di perdite di energia meccanica. La presenza di flussi di trafilamento dalle cavità rotanti interposte tra rotore e statore complica ulteriormente il campo di moto ed il processo di interazione e miscelamento con la corrente fluida principale. Indagini all’interno di impianti in grado di simulare tali effetti instazionari sono necessarie per identificare soluzioni costruttive che portino ad un incremento di efficienza dei diversi componenti, e quindi alla riduzione del consumo specifico di combustibile e dell’emissione di inquinanti dell’intero motore.

Pubblicazioni

Infantino D., Satta F., Simoni D., Ubaldi M., Zunino P., Bertini F: “Phase-Locked Investigation of Secondary Flows Perturbed by Passing Wakes in a High-Lift LPT Turbine Cascade”,  ASME paper GT2015-42480, pp. 1-9, 2015.
Satta F., Tanda G.: “Measurement of local heat transfer coefficient on the endwall of a turbine blade cascade by liquid crystal thermography”, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 58, pp. 209-215, 2014.
Simoni D., Ubaldi M., Zunino P., Lengani D., Bertini F.: “An Experimental Investigation of the Separated-Flow Transition Under High-Lift Turbine Blade Pressure Gradients”, Flow, Turbulence and Combustion, Vol. 88 (1-2), 2012.
Satta, F., Simoni, D., Tanda, G.: “Experimental Investigation of Flow and Heat Transfer in a Rectangular Channel With 45° Angled Ribs on One/Two Walls”, Experimental Thermal and Flow Sciences, Vol. 37, pp. 46-56, 2012.
Sacchi M., Simoni D., Ubaldi M., Zunino P., Zecchi S.: “Endwall Effusion Cooling System Behaviour Within a High-Pressure Turbine Cascade. Part 1: Aerodynamic Measurements”, ASME Turbo Expo, Glasgow, ASME paper GT2010-22931, pp. 1-10, 2010.