Condotto di mandata, camera di stanca, scambiatore e convergente

Il condotto di mandata ha lo scopo di convogliare il usso in uscita dalla volu- ta alla camera di stanca ed è caratterizzato da una sezione quadrata avente lato di 812 [mm]; agli estremi sono presenti due tratti curvi mentre il tratto centrale è rettilineo. A tale condotto non sono richieste particolari prestazioni uidodi- namiche, fatta eccezione quella di guidare bene il usso nei tratti curvi senza che vi siano dei distacchi di vena; in ciò è coadiuvato da deettori opportunamente posti in tali tratti.

La camera di stanca ha il compito di uniformare il usso prima che faccia il suo ingresso nel convergente che conduce alla camera di prova. In particolare il suo scopo è quello di eliminare eventuali pulsazioni di portata e fenomeni turbolenti di larga scala.

All'uscita della camera di stanca l'aria viene rareddata da uno scambiatore di calore ad acqua in quanto, essendo una galleria a circuito chiuso, vi è un ricircolo del uido di lavoro che, se non rareddato, può aumentare in modo incontrollato la sua temperatura. Si tratta di un radiatore con sezione frontale di 1500 [mm], dimensionato per rareddare una portata di aria di 15 [kg/s] dalla temperatura di 75 [◦_{C] a 50 [}◦_{C]. Il calore sottratto dall'acqua di rareddamento viene poi}

smaltito in ambiente attraverso una torre evaporativa a umido.

Figura 2.4: Camera di stanca con condotti ad essa aacciati

A valle dello scambiatore si ha un condotto convergente con sezione d'ingresso quadrata di lato 1500 [mm], e sezione di uscita circolare avente diametro di 890 [mm].

Capitolo

3

Strumenti di misura

Nel campo delle misure uidodinamiche, la gamma di strumenti ad oggi disponibile per l'indagine del campo di moto è molto vasta, ma comunque gener- alizzabile in due famiglie principali, secondo la tecnica di riferimento:

• tecniche non intrusive; • tecniche intrusive.

Con il termine non intrusivo si vuole indicare uno strumento di misura che non interferisce con il campo di moto del uido, pertanto la misura eettuata rappresenterà, a meno dell'incertezza legata alla misura stessa ed all'elaborazione dei dati, quanto di più prossimo alla realtà. In questa famiglia troviamo, tec- niche ottiche quali l'anemometria laser doppler e quella P.I.V. (Particle Image Velocimetry). A rigore, anche queste tecniche possono essere considerate intru- sive, in quanto prevedono un inseminazione del uido con opportune particelle traccianti. Tali tecniche, consolidate per misure di velocità ma con qualche ap- plicazione anche per misure indirette di densità, non possono essere applicate per eettuare misure anche di pressione, la quale è però di grande utilità specialmente in campo turbomacchinistico. Per esempio, la perdita di pressione totale a cav- allo di una schiera, è uno degli indici di prestazioni più utilizzati. Il vantaggio di queste tecniche è quello di avere una risoluzione in frequenza elevata, tale da ren- derle adeguate alla cattura di fenomeni instazionari con frequenze caratteristiche dell'ordine dei 10÷20 [KHz] come, per esempio, la turbolenza generata dall'in- terazione tra statore e rotore oppure dall'interazione uido struttura. D'altra parte, i costi della strumentazione necessaria e della potenza di calcolo richiesta per l'elaborazione dei dati sono consistenti, quindi non sempre sono di facile ap- plicabilità.

uidodinamico oggetto della misura, ma consentono misure molto accurate e di- rette di temperatura e pressione, la cui utilità, nell'abito in cui si colloca questo lavoro, è stata precedentemente richiamata.

Per lo svolgimento di questo lavoro si è quindi scelto di servirsi di uno strumento intrusivo, quale una sonda di pressione a cinque fori.

3.1 Misure di pressione

In questo paragrafo verranno discusse le tecniche di misura più utilizzate per identicare le caratteristiche uidodinamiche di una corrente gassosa, che usual- mente sono di maggiore interesse in campo turbomacchinistico, quali: pressione, velocità e direzione del usso.

La pressione viene generalmente distinta in pressione statica e totale, le cui denizioni sono riportate nei due paragra successivi. Tale divisione è però solo ttizia, in quanto legata alle rispettive denizioni, che permettono di rendere più facile ed universale il confronto dei dati e la denizione di relazioni e coecienti. Infatti, una corrente uida, all'interno del suo campo di moto, può avere pun- ti a pressione dierente a seconda della sua natura, ma essa non sarà ne totale ne statica. Spetta poi allo sperimentatore ricondurre la misura eettuata, op- pure misurare direttamente, uno dei due valori, a seconda dello scopo prepostosi. Nei paragra successivi verranno descritte le tecniche per poterle direttamente ottenere, e gli strumenti comunemente utilizzati.

3.1.1 Misure di pressione totale

La pressione totale è, per denizione, la pressione del uido conseguente ad un suo arresto isoentropico. La sua misura si ottiene localizzando una presa di pressione in corrispondenza di un punto di ristagno del uido. Pertanto, le sonde di misura sono realizzate con geometrie ottimizzate a tale scopo. La geometria più comoda e che meno interferisce con la corrente uida è quella a testa conica e con sezione circolare. Pertanto la congurazione più utilizzata è contraddistinta da un cilindro, con asse longitudinale parallelo alle linee di corrente. Questo stesso viene piegato ad angolo retto in modo da formare un supporto, in corrispondenza del quale possono essere ricavate ulteriori prese di pressione a seconda delle esigenze di misura. La sonda utilizzata nelle prove sperimentali per rilevare la pressione totale di monte, è riportata in gura 3.1(a). Le geometrie più convenzionali traggono origine dal tubo di Pitot (gura 3.1(b)), da Henry Pitot (1695-1771), il quale ideò tale strumento per la misura della velocità dei uidi.

Se la corrente uida è subsonica, la pressione misurata con una sonda così fatta (gura 3.1(a)), è molto prossima alla pressione totale ma non coincidente con essa

(a) (b)

Figura 3.1: a) Sonda di pressione totale utilizzata a monte della schiera durante le prove sperimentali; b) precursore dei moderni tubi di pitot, progettato fa Henry Pitot.

a causa degli eetti viscosi, i quali però sono signicantivi per numeri di reynolds Re=Va/υ (V:velocità corrente indisturbata, a:diametro interno sonda, υ:viscosità cinematica) inferiori a 100 [3]. Nel caso di corrente supersonica invece, si incontra un secondo limite legato alla formazione di un onda d'urto in corrispondenza della testina della sonda; ciò comporta che la pressione letta non è quella totale della corrente indisturbata ma quella a valle di un urto le cui caratteristiche al usso a monte.

La sensibilità di una sonda di pressione totale ad eventuali disallineamenti con la direzione del usso è contenuta (circa ± dieci gradi di angolo relativo), pertanto per un loro utilizzo non è necessario conoscere con esattezza la direzione del usso incidente.

3.1.2 Misure di pressione statica

In generale la lettura di una pressione statica richiede una perpendicolarità tra direzione del usso ed asse della presa di pressione. Eventuali disallineamenti o raccordi sul bordo della presa di pressione compromettono la misura. Anche il livello di turbolenza inuisce sulla lettura della pressione statica e tale inuenza cambia a seconda delle dimensioni della sonda relativamente alla scala della tur- bolenza. Nel caso in cui la scala sia molto maggiore delle dimensioni della sonda si ottengono letture dierenti legate a moduli dei vettori velocità trasversali. Se invece la scala di turbolenza diviene ridotta, l'errore di misura si attenua rispetto

al precedente [3]. Un altro fattore che inuisce sulla lettura è il numero di Mach, solo nel caso in cui eventuali onde d'urto riesse raggiungano la presa di pressione. Talvolta invece, anziché servirsi di una sonda, si esegue un foro in corrispondenza di pareti rettilinee lambite dal usso. E' sempre necessario comunque prestare molta attenzione a come si realizza il foro; in particolare è bene che esso non sia raccordato sull'estremità interna aacciata con il usso, che non rimangano residui di lavorazione a valle di esso (come bava di foratura) e che abbia eetti- vamente asse longitudinale perpendicolare alla parete. Per maggiori informazioni si può fare riferimento a [5].