Analisi fluidodinamica del diffusore

Le soluzioni CFD sono state utilizzate per ottenere ulteriori informazioni sulle prestazioni del diffusore al fine di comprendere il comportamento di Fig. 6.8 e 6.9. La variazione dell’incremento di pressione nel channel diffuser al variare della portata, per il compressore C1, è stata riportata per tre velocità di rotazione, in Fig. 6.10.

139 Fig. 6.10 – Incremento di pressione nel channel diffuser, compressore C1

La pendenza delle precedenti curve è sempre positiva, confermando l'instabilità intrinseca del CD, come già discusso grazie agli andamenti dello SP (Fig. 6.8 e 6.9), con basse prestazioni, in termini di incremento di pressione, a basse portate. Ciò è dovuto all'effetto combinato del bloccaggio dello strato limite nella sezione di gola e all'aumento delle perdite di pressione totale nel canale, per condizioni di off-design a basse portate. I profili dello strato limite sulla parete del diffusore nella sezione della gola sono stati ottenuti dall'analisi CFD. In Fig. 6.11 vengono mostrati i profili di velocità al midspan per il compressore C1 a Ncor = 0.875, mentre i corrispondenti spessori degli strati limite sono riportati in Fig. 6.12. Tali spessori sono ricavati dai profili di velocità come le distanze da parete per la quale si verifica V 0.99

V_  . L’analisi è stata eseguita a diverse velocità di rotazione, come mostrato in Fig. 6.12. Il bloccaggio dello strato limite (spessore dello strato limite) aumenta al diminuire della portata, fornendo così maggiori velocità in gola ed una riduzione dell’incremento di pressione come conseguenza (Fig. 6.10). Infine le perdite di pressione totale aumentano nel CD al ridursi della portata, come mostrato in Fig. 6.13.

140 Fig. 6.11 – Profili dello strato limite al midspan nella sezione di gola del diffusore,

compressore C1 a Ncor=0.875

Fig. 6.12 – Spessori dello strato limite al midspan nella sezione di gola del diffusore, compressore C1

141 Fig. 6.13 – Perdite di pressione totale nel CD, compressore C1

L'aumento delle perdite nel CD è dovuto ad un progressivo aumento della zona di separazione nel canale, al ridursi della portata. Il punto di separazione del flusso sulla parete del canale è stata investigata. In Fig. 6.14 la distanza del punto di separazione dal bordo di uscita del diffusore viene tracciata per cinque altezze, per ogni punto di funzionamento del compressore C2 a Ncor = 1,03. Si può osservare che le sezioni verso il mozzo (span 10-30%) sono più sensibili alla variazione di portata e in queste regioni, il punto di separazione si sposta a monte nel canale dando una zona di separazione sempre più ampia. Questa è un ulteriore ragione della riduzione dell’incremento di pressione con la al diminuire della portata.

Fig. 6.14 – Punto di separazione sulla parete del diffusore per differenti span, compressore C2 a Ncor=1.03

142 La sensibilità dell'estensione della separazione nella regione a bassi span del channel diffuser è dovuta alla variazione dell'angolo di flusso nella sezione di gola. La Fig. 6.15 mostra la variazione lungo l’altezza del canale dell'angolo di flusso assoluto (mediato circonferenzialmente) nella gola del diffusore, per diverse portate. Si può osservare una variazione più elevata, con la portata, nelle regioni in prossimità del mozzo.

Fig. 6.15 – Distribuzione lungo lo span dell’angolo di flusso assoluto nella sezione di gola, compressore C2 a Ncor=1.03

L'SVS è una parte del diffusore soggetta alle disuniformità di flusso che giungono dalla girante con l'interazione rotore-statore. Per quanto riguarda l'analisi di stabilità, il comportamento dello SVS per pale del diffusore a cuneo o curve è stato trovato molto diverso, Fig. 6.8 e 6.9. La variazione dell’incremento di pressione del SVS rispetto al CD è opposta, come mostrato nella Fig. 6.16 per il compressore C2 a Ncor = 0,98. La stabilità del SVS (pendenza negativa) con un wedged diffuser conferma l'analisi data dallo SP, Fig. 6.8. Il diffusore è stabile fintantoché l'incremento di pressione nel semi-vaneless space è maggiore della caduta di pressione nel channel diffuser (Van Den Braembussche, 2016). Il limite di stabilità allora può essere individuato dove le variazioni di pressione sono uguali. Ciò è stato confermato nella presente analisi e il valore della portata di surge ottenuta ha una differenza dell'1% con il dato sperimentale.

143 Fig. 6.16 – Variazioni degli incrementi di pressione nel SVS e CD,

compressore C2 a Ncor=0.98

La crescita dell’incremento di pressione nel SVS per basse portate è dovuto all'aumento dell'incidenza del flusso nella sezione 1 (leading edge del diffusore), si veda Fig. 6.7. Ciò tra l’altro causerà l'aumento del bloccaggio dello strato limite, come già precedentemente mostrato nella sezione di gola, il quale farà diminuire l’incremento di pressione nel CD.

Fig. 6.17 – Variazioni degli angoli di flusso assoluti all’ingresso del SVS, compressore C1

In Fig. 6.17 viene riportato l'incremento dell'angolo di flusso assoluto (aumento dell'incidenza) nell'ingresso del SVS (sezione 1), al diminuire della portata. Il comportamento del SVS in un wedged diffuser è stato mostrato molto diverso rispetto a quello del SVS con un diffusore a pale curve, Fig. 6.8 e 6.9. Ciò è dovuto al diverso livello di perdite in condizioni di off-design. In Fig. 6.18 sono mostrate le perdite di pressione

144 totale per il diffusore C1 (wedged diffuser) e C3 (con pale curve); l'aumento con la riduzione della portata è presente in entrambi i casi, ma perdite molto più elevate per basse portate sono state evidenziate nel caso di diffusore con pale curve. Ciò è dovuto alla maggiore sensibilità della pala a profilo (con bordo d’attacco leggermente arrotondato) alle variazioni di incidenza, che possono causare separazioni di flusso ed eventualmente lo stallo nel SVS.

Fig. 6.18 – Perdite di pressione totale nel SVS, per il compressore C1 (wedged diffuser) rispetto al compressore C3 (a pale curve)