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Cap.5
Studio di modifiche geometriche
La parte finale di questo elaborato riguarda lo studio della variazione della geometria della girante pale avanti, con la ricerca di un possibile miglioramento. Per miglioramento, in quest'analisi, si intende una diminuzione della rumorosità, scopo principale della trattazione, con conseguente aumento della prevalenza o della portata. Non è esatto aspettarsi un aumento sostanziale del rendimento, giacché non si è avuta la libertà di variare geometricamente la girante in tutte le sue dimensioni ma, grazie all'indagine svolta, si è potuto determinare quali fossero i maggior difetti della girante in esame, così da poter concepire una variazione, tale da ottimizzarne il lavoro. Si ricorda infine che la girante in esame è un componente di serie e quindi si è mirato a proporre modifiche limitate, tali da non stravolgerne il disegno e compromettere la produzione già avviata.
L'analisi iniziale presentata nei capitoli quattro e cinque, ha evidenzato un distaccamento della vena fluida molto accentuato da un'altezza della pala intorno ai 9 mm. La conseguenza più deleteria dovuta a ciò, è una variazione del triangolo delle velocità in uscita alla girante, con un lavoro svolto da quest'ultima diverso da quello di progetto.
Le immagini sotto mostrano l'andamento dei vettori di velocità assoluta all'uscita della girante per una velocità di rotazione di 8500 giri/min.
70 Dall'analisi di questi vettori velocità, attraverso uno studio analitico, si evince facilmente che il triangolo delle velocità in uscita dalla girante è molto diverso da quello stimato in fase di progettazione presentato nel capitolo 2. Da qui l'idea di modificare la girante per cercare di attenuare questo fenomeno turbolento. Dopo un'attenta analisi del fenomeno, le soluzioni immaginate per attenuare fenomeni eccessivamente turbolenti erano le più svariate. Confrontando le proposte con quelle trovate in letteratura [1][2], si è scelto di fare un primo passo nella direzione che poi sarebbe stata quella finale. Osservando attentamente le linee di flusso all'interno dei vani palari e i valori di differenza di pressione si è notato che i valori di quest'ultimi fra dorso e ventre della pala erano molto elevati. Ciò amplificava l'aumento della turbolenza generato dalla cattiva geometria.
Un metodo utilizzato nella tecnica per attenuare questi fenomeni è la creazione di una finestra di comunicazione fra dorso e ventre della pala, in modo tale da creare un fenomeno di trasporto della vena fluida, dovuto all'accelerazione del fluido nel passaggio dalla zona ad alta pressione a quella a bassa pressione.
Figura 57 Fenomeno ipotizzato sulla variazione geometrica.
Sulla base di queste ipotesi, è stato modificato il modello geometrico utilizzato per l'analisi CFD e, data la semplicità della modifica geometrica pensata e la disponibilità delle officine della sezione R&D di Piaggio&C. S.p.A. di modificare immediatamente la girante con una semplice operazione di fresatura, la modifica è stata subito apportata ad una girante di prova.
Le dimensioni ipotizzate inizialmente per la finestra di comunicazione fra zona ad alta pressione e zona a bassa pressione, erano: 7 X 5 X 9 mm partendo dall'alto da una distanza dalla radice della pala di 17 mm.
Zona alta pressione Zona bassa pressione
71 Figura 58 Dimensioni finestra comunicazione.
Questa prima modifica è stata subito valutata sperimentalmente ma i risultati acustici non erano convincenti, quindi, senza procedere al calcolo fluidodinamico, si è subito pensato di aumentare la finestra di comunicazione.
Dato il carattere puramente sperimentale della prova, la migliore soluzione sarebbe stata quella di fare una parametrizzazione dei valori della finestra e procedere prima con il calcolo CFD, ma dopo diverse consultazioni con il team R&D di Piaggio &C. S.p.A., si è giunti alla conclusione che date le dimensioni in gioco e la velocità della vena fluida era necessario avere una finestra molto grande.
La modifica finale apportata è quella rappresentata in fig. 59.
72 Come si nota nella figura, e come prima accennato, le dimensioni in gioco non permettevano di creare diverse soluzioni di finestre, quindi l'idea è stata quella di allargare completamente la finestra fino alla fine della pala.
L’obiettivo di tale modifica era quello di spingere le linee di flusso nel vano successivo, attirate dalla zona di depressione e, grazie all’aumento di velocità dovuto a queste, ottenere una vena fluida più attaccata possibile al dorso palare, evitando fenomeni di stallo. I risultati ottenuti dimostrano le ipotesi di partenza.
Figura 60 Vettori velocità assoluta dopo la modifica.
Nell'immagine a sinistra si intende mettere in evidenza il passaggio dei vettori velocità nel vano successivo, mentre nell'immagine di destra si evince chiaramente come il vano palare sia molto più riempito. Un'immagine delle linee di flusso chiarisce meglio i risultati, ed un confronto diretto con la pala originale mette in risalto la bontà delle modifiche apportate.
73 Figura 62 Confronto diretto delle giranti.
Figura 63 Particolare confronto.
In entrambe le immagini sopra riportate, a destra è rappresentata la girante prima della modifica e a sinistra quella modificata. Si vede chiaramente, come il vano palare sia ben più colmo di linee di flusso nella girante modificata, e il fenomeno di distaccamento della vena fluida causa dello stallo, è molto attenuato, quasi azzerato in alcuni vani.
La modifica della girante, ha gli stessi effetti che potrebbe avere una modifica sull'angolo di uscita. Ciò lascia intuire come il triangolo di velocità in uscita alla girante modificata, subisca meno l'influenza dei fenomeni turbolenti attenendosi di più alle specifiche di progetto.
74 Il calcolo CFD fatto in questi termini non permette una determinazione del rendimento e della potenza assorbita o ceduta alla portata di vena fluida, non è quindi possibile dire se il miglioramento ottenuto ha effetti sul rendimento globale della macchina. Certamente si può affermare che la modifica apportata alla girante ha l'effetto desiderato, quindi in un riscontro sperimentale si otterranno sicuramente dei miglioramenti in termini acustici, obiettivo iniziale di questa trattazione.
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Bibliografia
[1] Lissman at all, California Institute of Technology, A linear solution for the jet flap in ground effect;
