Design aerodinamico ottimale per le pale delle turbine
Rispetto ai motori convenzionali, una LPT con velocità elevata permette maggiori rendimenti, grazie a carichi aerodinamici inferiori. Il numero di pale della turbina può essere ridotto, il che a sua volta riduce la lunghezza e il peso complessivo del motore e riduce sostanzialmente i costi della manutenzione e le emissioni associate. Tuttavia, garantire prestazioni e sicurezza adeguate con un numero inferiore di pale e maggiori sollecitazioni del mozzo richiede un’attenta ottimizzazione dei parametri di progettazione. Per soddisfare gli impegnativi vincoli di progettazione relativi alle pale del rotore di LPT ad alta velocità, i ricercatori hanno lanciato il progetto ITURB (Optimal high-lift turbine blade aero-mechanical design), finanziato dall’UE. Il team ITURB ha riprogettato tali pale del rotore a partire da una configurazione di base, rappresentativa del rotore LPT all’attuale stato dell’arte. Il nuovo design delle pale si è basato su una strategia di ottimizzazione multi-obiettivo, la quale sfrutta le geometrie e la fluidodinamica computazionale. In particolare, i ricercatori hanno usato calcoli 3D al computer di flussi viscosi stazionari basati su un modello di turbolenza K-Omega per valutare le prestazioni aerodinamiche. Per i controlli di integrità meccanica, hanno valutato la sollecitazione massima del rotore dovuta alle forze centrifughe. Infine, sono state sfruttate le reti neurali artificiali per esplorare lo spazio di progettazione utilizzando un approccio di superficie di risposta. I punti di forza combinati relativi alle procedure di ottimizzazione hanno portato a una configurazione affidabile a livello aerodinamico, la quale soddisfa vincoli sia meccanici che geometrici. Il progetto definitivo è stato convalidato durante una campagna sperimentale effettuata su una struttura con turbina monostadio a bassa velocità. I risultati sperimentali sono stati confrontati con i calcoli numerici delle prestazioni del rotore per numero di Reynolds fisso, variando l’angolo di incidenza dello stesso. Il design teorico e sperimentale, e gli strumenti di controllo ottenuti grazie al progetto ITURB hanno reso possibile una rapida progettazione delle pale del rotore per LPT, promettendo riduzioni di peso, consumi di carburante ed emissioni. Il nuovo design della pala costituisce una parte importante dell’iniziativa Clean Sky ai fini di una riduzione dell’impatto ambientale relativo al trasporto aereo.
