Come può un nuovo design di turbina ridurre le perdite di vapore?

Nel mondo delle turbine a vapore marine, la fase finale della turbina e il condotto di scarico sono spesso trascurati, ma sono cruciali per l’efficienza. Un team di ricercatori ha creato, per la prima volta, un modello 3D completo che collega l’ultima girante della turbina al cappuccio di scarico.

Grazie a una mesh ibrida (strutturata e non strutturata) e al modello di turbolenza SST, hanno simulato il flusso di vapore in condizioni diverse da quelle di progetto. Hanno valutato tre parametri: perdita di pressione totale, recupero di pressione statica e uniformità della velocità nella sezione di uscita.

I risultati sono sorprendenti: aggiungendo dei cerchi auto-bloccanti alle pale mobili, la perdita di flusso scende del 4,7% e l’uniformità della pressione migliora del 12,3%. D’altro canto, inserire rinforzi a croce nel diffusore del cappuccio aumenta la rigidità, ma riduce del 8,4% il coefficiente di recupero della pressione statica, indicando la necessità di ottimizzare la forma.

Il modello funziona al meglio con un flusso al 50% del valore di progetto e una pressione di scarico al 100% di quella prevista. Questi dati forniscono una base teorica per progettare turbine più compatte, silenziose ed efficienti, utili soprattutto per le navi che vogliono ridurre consumi e rumore.

Il modello 3D è stato generato mediante una mesh ibrida, combinando elementi strutturati per le regioni di flusso regolare e non strutturati per le zone di separazione e turbolenza intensa. Il modello di turbolenza SST (Shear Stress Transport) è stato scelto per la sua capacità di catturare sia gli effetti di bassa che di alta turbolenza, particolarmente rilevanti nelle vicinanze delle pale mobili e dei rinforzi del cappuccio.

Le metriche di performance includono il coefficiente di perdita di pressione totale (τ), calcolato come la differenza tra pressione totale in ingresso e in uscita normalizzata per la pressione dinamica, e il coefficiente di recupero di pressione statica (σ), che misura la capacità del diffusore di trasformare l'energia cinetica residua in pressione statica. Inoltre, la non uniformità della velocità (ΔV) è stata valutata mediante la deviazione standard della distribuzione della velocità nella sezione di uscita, fornendo un indice di potenziale vibrazione e usura.

L'introduzione dei cerchi auto‑bloccanti ha modificato il profilo di flusso vicino alle pale, riducendo le perdite di carico viscose e migliorando la distribuzione della pressione. I rinforzi a croce, sebbene aumentino la rigidezza strutturale, introducono ostacoli al flusso, creando zone di separazione che diminuiscono σ. L'ottimizzazione futura potrebbe prevedere forme più aerodinamiche per i rinforzi, ad esempio profili a sezione variabile o superfici rivestite con materiali a bassa aderenza.

L'analisi di sensitività ha mostrato che il punto di massima efficienza si colloca a 0,5 del flusso di progetto, dove la combinazione di perdita di pressione totale minima e recupero di pressione statica ottimale è bilanciata. Questo risultato suggerisce che le turbine compatte possono operare in modo più efficiente a carichi parziali, un aspetto cruciale per le navi che variano frequentemente la potenza richiesta.