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Cap. 4
Prove sperimentali
In questo capitolo si affrontano i temi che riguardano la sperimentazione effettuata nei laboratori della divisione R&D di Piaggio S.p.a.. Le prove effettuate sono state diverse, alcune avevano il solo scopo di validare il modello CFD, altre, quello di caratterizzare la girante per la catalogazione e fornire una procedura standard di prove da eseguire su nuove giranti.
Le prove effettuate in ordine cronologico sono:
1. Prova di flussaggio per determinare la resistenza offerta dal pacco alettato;
2. Analisi giro aria completo: questa prova è stata fatta in diverse configurazioni per caratterizzare diverse tipologie di girante (pala avanti e pala indietro) con opportune modifiche (inserimento di ogive o di volute con disegno differente da quello di serie);
3. Caratterizzazione sistema raffreddamento: in questa prova si sono analizzati i componenti del sistema di raffreddamento voluta e girante.
Ognuna di queste prove è stata svolta diverse volte, con diverse modalità di configurazione e di acquisizione dei dati, ciò ha permesso di tracciare le curve caratteristiche del sistema e di giungere unitamente all'analisi CFD ad una soluzione del problema proposto.
4.1 Banco prova e strumentazione
La prova di flussaggio è stata eseguita sul banco di flussaggio, dove al variare della portata si sono registrati i valori di pressione costruendo la curva di flussaggio.
Le prove di caratterizzazione invece sono state eseguite su di un'apposita cabina di prova per le giranti. La strumentazione utilizzata è rappresentata nello schema di fig. 32.
52 Figura 31 Prova di flussaggio.
Figura 32 Banco di prova: 1 motore elettrico, 2 giunti, 3 torsiometro, 4 albero.
Figura 33 Computer, inverter e acquisitore di segnali. 1 2 3 4 3 2
53 Nello schema di fig.32, vediamo rappresentato il banco di prova, privo del misuratore di portata e dell'inverter, strumento che regola la rotazione del motore elettrico. In ogni prova, la girante veniva collegata all'albero muto, quindi in cascata tutti gli altri componenti del sistema di raffreddamento a seconda delle prove da effettuare. Il motore elettrico, attivato da un inverter, mette in rotazione l'albero, il torsiometro permette di registrare la coppia resistente.
La portata è stata costantemente monitorata da un flussometro, con una portata massima di 500 m3/h. Tutti i dati sono stati acquisiti con l'ausilio del programma LabView, ad eccezione dei valori pressione che sono stati acquisiti manualmente poiché gli strumenti utilizzati, per la misura di pressione non erano digitali.
Le grandezze misurate in ogni prova sono:
numero di giri, gestito attraverso l'inverter;
portata di massa mediante l'flussometro;
temperature in diverse parti del sistema mediante termocoppie;
coppia resistente mediante torsiometro;
pressione in diverse parti del sistema mediante misuratori di pressione assoluta ad acqua.
Il programma di acquisizione dati, riceveva costante i segnali delle grandezze misurate, il tecnico sceglieva il momento della registrazione dei dati che avvenivano in un time step prefissato solitamente a 10 secondi. Per ulteriori dettagli sulla strumentazione, si può consultare l'appendice C dove si trovano tutte le schede tecniche degli strumenti utilizzati.
4.2 Prove effettuate
La prima prova eseguita, come già detto è stato la prova di flussaggio. Nelle figure 43 si può osservare la modalità di svolgimento della prova, ovvero il blocco motore insieme alla voluta priva di girante, sono stati fissati tramite una flangia appositamente disegnata, all'uscita della macchina di flussaggio. Tramite un software collegato alla macchina è stato possibile impostare una portata che attraversasse tutto il giro aria. Al variare della portata si sono registrati i valori di pressione che corrispondono all'opposizione del pacco alettato al passaggio dell'aria.
La prima prova di caratterizzazione del giro aria completo, ovvero di tutte la parti che compongono il sistema di raffreddamento, è stata catalogata come FCAS_FF_LEM125 = Full air cooling system forward curved fan LEM 125; questa denominazione ha favorito una facile catalogazione.
54 Figura 33 Banco di prova.
Nella fotografia, a differenza dello schema di figura 32, si notano la presenza dell'flussometro e di un canale raddrizzatore di flusso, che ha l'obiettivo appunto di stabilizzare il flusso in ingresso alla girante.
In questa prima prova, oltre al flussometro, il torsiometro ed il misuratore di giri, sono state introdotte delle termocoppie per la misura delle temperatura in diversi punti del sistema. L'ipotesi iniziale, mirava alla determinazione di tutti i parametri d'importanza risalendo appunto dalla misura delle temperature. La disposizione delle termocoppie è rappresentata nello schema che segue.
Figura 34. Posizione strumenti di misura
La girante analizzata è quella di serie, ovvero la girante a pale avanti. Si riportano alcune immagini che documentano la prova eseguita.
55 Figura 35 Girante pala avanti e voluta di serie.
Figura 1 Assemblaggio motore su banco di prova.
56 La prova è stata eseguita monitorando costantemente le grandezze e variando il numero di giri della girante attraverso l'inverter. Le misure sono state prese a step di 500 giri/min, partendo da 1500 fino a 8500 giri/min. La necessità di far stabilizzare le temperature ha reso la prova molto lunga, e discutibile. Infatti, l'utilizzo delle sole termocoppie ha dimostrato subito di portare degli svantaggi per questo tipo di prova su questo tipo di motore. Le grandezze in gioco si sono dimostrate di un ordine non eccessivamente elevato, e le termocoppie, che lavoravano con un grado di accuratezza di +/- 1°, non sono riuscite a rilevare con accuratezza tutte e variazioni di temperatura. Quindi al momento della discussione dei risultati si è posto il problema di quanto affidabili fossero le misure prese, optando, per maggiore sicurezza, all'accoppiamento delle misure di temperatura con quelle di pressione. Si sono quindi inseriti degli strumenti di misura di pressione, un differenziale ed uno assoluto. Il differenziale misurava la differenza di pressione fra ingresso della girante e uscita della voluta, mentre l'assoluto misurava la pressione in ingresso alla girante. Lo schema dell'impianto modificato è rappresentato in figura 38.
Figura 38 Schema d'impianto con inserimenti misuratori di portata.
Si riportano le immagini rappresentative degli strumenti di pressione utilizzati e della loro collocazione.
57 Figura 40 Collocamento misuratori di pressione.
L'inserimento dei misuratori di pressione ha reso le prove molto più consistenti. Le pressioni sono state lette e trascritte manualmente, quindi vi è certamente un errore dovuto all'interazione dell'uomo con la macchina, ma la misura delle temperature ha permesso di restringere il campo d'incertezza.
Questa prova, come detto in precedenza, è stata fatta diverse volte con diverse configurazioni. La seconda configurazione è stata denominata FCAS_BF_LEM125 = Full air cooling system backward curved fan LEM 125, che consiste nella stessa tipologia di prova ma con una girante differente, ovvero quella a pale indietro utilizzata nei motori di serie 125.
Figura 41 Configurazione con pala indietro.
Il tipo di prova effettuata ha lo stesso interesse della prova con girante pala avanti, e cioè monitorare l'andamento delle pressioni, delle temperature e della portata al variare del numero di giri in modo da poter estrarre le curve di potenza e di lavoro delle giranti e poter quindi fare un primo confronto.
In conformità a queste due prove, sono state fatte diverse varianti di queste. La prima è stata l'inserimento di un'ogiva sulla pala avanti, mentre la seconda modifica è stata effettuata sulla voluta, arrotondando l'angolo di tongue.
58 Figura 42 Inserimento ogiva.
Figura 42 Variazione angolo di tongue.
La seconda serie di prove effettuate è stata denominata FFV2_LEM125_1500-9000: questa prova è stata eseguita per la caratterizzazione della sola turbomacchina composta da girante e voluta. Come suggerisce la letteratura [1], uno dei metodi per estrarre le curve di lavoro di una girante è farla lavorare variando i numero di giri e parzializzando la mandata. Il metodo utilizzato segue alla lettera i consigli della letteratura: si è infatti predisposto alla bocca della mandata una valvola a farfalla che aiutasse la parzializzazione graduale della mandata.
59 Figura 43 Mandata parzializzata.
Come si può notare in fig. 43, il grado di parzializzazione della mandata è stato suddiviso in quattro gradi: completamente chiusa, grado 1, grado 2, completamente aperta. La prova è stata svolta variando il numero di giri con una variazione di 500 giri/min partendo da 1500 giri/min, fino a 8500 giri/min. Ad ogni variazione di giri, la mandata veniva occlusa per tutti i quattro gradi, e ad ogni parzializzazione venivano fatte le misure. Lo schema di misura è quello di figura 38, di seguito si riportano delle immagini identificative della prova.
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4.3 Elaborazione dati
Le prove effettuate sperimentalmente hanno avuto un ruolo importante nella caratterizzazione del sistema di raffreddamento poichè, oltre a convalidare i risultati ottenuti dalle analisi CFD, hanno permesso un miglioramento del modello fluidodinamico e hanno reso evidente le caratteristiche della macchina in termini di consumi e rendimenti.
Il primo dato analizzato, che ha permesso di validare il modello fluidodinamico, è la curva di flussaggio.
Figura 45 Curva di flussaggio.
Come si può osservare dalla curva di figura 45, i punti sperimentali della curva di flussaggio sono molto vicini ai punti estratti dal modello fluidodinamico, in particolare i punti presi sull'uscita numero 1 sono quelli più prossimi ala curva sperimentale. Si riportano in una tabella i valori di tali punti:
Portata [kg/s] Dp_Sperimentale [mbar] Dp_Simulazione Cfd [mbar] differenza %
0,1 8,179 8,64 5,64 0,09 6,716666667 6,23 7,25 0,08 5,191333333 5 3,69 0,07 3,692 3,92 6,18 0,06 2,461 2,86 16,21 0,05 1,736 1,97 13,48
Tabella 1 Dettaglio comparazione dati. Con questa prova si è confermata la validità del modello CFD.
La prima prova di caratterizzazione della sistema di raffreddamento ha reso possibile il tracciamento di diverse curve che aiutassero la catalogazione della macchina. La prima curva estratta è una curva di lavoro, dove si mette in relazione il ΔP e la portata Q elaborata dalla girante al variare del numero di giri-
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 Por tat a m assi ca [ kg/s] DeltaP [mbar]
Curva di flussaggio
sperimentale numericaOUT1 numericaOUT2 numericaOUT361 Figura 46 Curva di resistenza girante a pale avanti.
Questa curva è molto importante, infatti ogni punto di essa rappresenta le condizioni operative del sistema composto da girante,voluta e corpo alettato al variare del numero di giri. Dalla stessa prova è stato possibile estrarre la curva di potenza assorbita.
Figura 472 Curva di assorbimento girante a pale avanti.
Questa curva mette in risalto il malfunzionamento della macchina. Si nota infatti che il picco di assorbimento della girante è di quasi 800 W, a circa 8500 giri/min, che è tantissimo considerando che il motore non arriva ad una potenza massima di 12kW. Per chiudere il quadro di catalogazione, con i dati forniti da questa prova, si è potuto estrarre una curva di rendimento globale della macchina inteso come [1]: 0 50 100 150 200 250 0 100 200 300 400 500 600 D P [m m H 2O] Q [m^3/h]
Curva di resistenza
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 2000 4000 6000 8000 10000 P [wat t] rpmPotenza assorbita
62 Figura 48 Curva di rendimento.
Il grafico sopra, presenta un andamento variabile fra 0,4 e 0,5, valori di rendimento molto bassi per macchine di questo tipo, che tendenzialmente lavorano con rendimenti dell'ordine di 0,8 e 0,9 [2].
I grafici appena esposti, sono stati comparati con quelli estratti dalla prova sulla girante a pale indietro. Si riportano i risultati di tale prova.
Figura 49 Curva di resistenza girante a pale indietro.
Figura 50 Curva di potenza girante a pale indietro. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 100 200 300 400 500 600 eta Q [m^3/h]
η
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 100 200 300 400 500 D P [m m H 2O] Q [m^3/h]Curva di resistenza BF
0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 2000 4000 6000 8000 10000 P [W] rpmCurva di potenza
63 Figura 51 Curva di rendimento BF.
Dai grafici sopra, si può subito osservare la differenza fra le due giranti. La pala avanti, come suggerisce la letteratura [1],[2], offre naturalmente una maggiore prevalenza e una maggiore portata, di conseguenza ha anche un assorbimento maggiore, che in questo caso, rispetto la pala indietro, è quasi il doppio. I rendimenti sono entrambi scarsi, ma la pala indietro ha un rendimento medio migliore, che si aggira attorno allo 0,6. Di seguito si riportano alcuni grafici che mettono a confronto le due macchine e che danno un'idea migliore del confronto.
Figura 52 Confronto assorbimento.
Figura 533 Confronto curve di lavoro. 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0 100 200 300 400 500 eta Q [m^3/h]
η
0 200 400 600 800 1000 0 2000 4000 6000 8000 10000 P [W] rpmConfronto assorbimento FF_BF
pala avanti pala indietro 0 50 100 150 200 250 0 100 200 300 400 500 600 D P [m m H 2O] Portata [m^3/h]Confronto lavoro
pala avnti pala indietro64 Per completare il quadro di caratterizzazione, sono state sviluppate, grazie alla prova FFV2_LEM125_1500-9000, le curve di prestazione isogiro. Si riporta di seguito il grafico riassuntivo.
Figura 54 Curve caratteristiche isogiro girane a pale avanti. 0 50 100 150 200 250 300 0 100 200 300 400 500 600 D P [m m H 2O] Portata [m^3/h]
Curve caratteristiche
rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm 3500 rpm 4000 rpm 4500 rpm 5000 rpm 5500 rpm 6000 rpm 6500 rpm 7000 rpm 7500 rpm 8000 rpm 8500 caratteristicaPoli. (rpm 2000) Poli. (rpm 2500) Poli. (rpm 3000) Poli. (rpm 3500) Poli. (rpm 4000) Poli. (rpm 4500) Poli. (rpm 5000) Poli. (rpm 5500) Poli. (rpm 6000) Poli. (rpm 6500) Poli. (rpm 7000) Poli. (rpm 7500) Poli. (rpm 8000) Poli. (rpm 8500) Potenza (caratteristica)
65 Il grafico di figura 54 rappresenta la caratteristica di funzionamento, al variare del numero di giri, della girante con pale avanti. Questa tipologia di grafico rappresenta un documento tecnico utile nella tecnica per la scelta della girante. Sullo stesso grafico, è stato possibile tracciare dei punti isorendimento, che aiutassero a capire in quali circostanze la girante lavora con un valore di rendimento costante.
66 Figura 55 Curve isorendimento.
0,46 0,46 0,46 0,46 0,46 0,31 0,31 0,31 0,31 0,34 0,34 0,34 0,37 0,37 0,37 0,37 0,47 0,47 0,47 0,50 0,50 0,50 0,52 0,52 0,52 0,54 0,54 0,54 0,55 0,55 0,55 0 50 100 150 200 250 300 0 100 200 300 400 500 600 D P [m m H 2O] Portata [m^3/h] rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm 3500 rpm 4000 rpm 4500 rpm 5000 rpm 5500 rpm 6000 rpm 6500 rpm 7000 rpm 7500 rpm 8000 rpm 8500 caratteristica 0,46 0,31 0,34 0,37 0,47 0,50 0,52 0,54 0,55
Lineare (rpm 2000) Lineare (rpm 2500) Lineare (rpm 3000) Poli. (rpm 3500) Poli. (rpm 4000) Poli. (rpm 4500) Poli. (rpm 5000) Poli. (rpm 5500) Poli. (rpm 6000) Poli. (rpm 6500) Poli. (rpm 7000) Poli. (rpm 7500) Poli. (rpm 8000) Poli. (rpm 8500) Poli. (caratteristica) Log. (0,46)
Espo. (0,31) Potenza (0,34) Poli. (0,37) Potenza (0,47)
67 Le linee isorendimento rappresentate nel grafico, sono parti delle ellissi isorendimento tipiche di queste macchine.
Sulla base dei lavori esposti, si è sviluppato una buona catalogazione della girante con pale avanti, un buon confronto con la girante con pale indietro, e, aspetto fondamentale di questo lavoro, si è giunti ad una ottimizzazione della geometria senza modificarne l'ingombro.
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Bibliografia
[1] Renato Delle Volpe, Macchine, Liguori, 2002;
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