Experimental and Numerical Investigation of the Rotor-Stator Interaction in Radial Turbomachines

L'analisi dell'interazione rotore-statore è un aspetto di fondamentale importanza nell'ambito delle turbomacchine dal momento che una migliore e più approfondita conoscenza dei fenomeni correlati a tale interazione consente di ottimizzare le prestazioni della macchina. L'interazione rotore-statore si manifesta con una variazione del campo di moto all'interno dei due componenti e determina una differenziazione delle loro prestazioni rispetto alla configurazione isolata. La macchina risulta influenzata sia in termini di curva caratteristica sia in termini di fluttuazioni di pressione al suo interno e di rumore emesso. Obiettivo della ricerca era lo studio dei fenomeni connessi all'interazione rotore-statore con particolare attenzione alle caratteristiche, alla genesi, alle cause di sviluppo e all'influenza sul comportamento della macchina. Per questo tipo di indagine, si è proposto un approccio basato su rilievi acustici di pressione all'interno della macchina. L'indagine acustica è stata condotta su di una macchina reversibile bistadio, funzionante come pompa. La macchina è stata oggetto di tre campagne di misura allo scopo di identificare i fenomeni pulsanti di pressione all'ingresso e all'uscita della girante, approfondire le caratteristiche dei fenomeni individuati, valutare l'evoluzione dei fenomeni in direzione radiale e l'influenza della velocità di rotazione della girante sulle caratteristiche e sull'esistenza stessa dei fenomeni. L'analisi spettrale in frequenza e in tempo-frequenza dei segnali di pressione rilevati ha evidenziato l'esistenza di una struttura rotante di fluttuazioni di pressione, di origine fluidodinamica, allo scarico della girante. Questa struttura ruota attorno allo scarico con una velocità di rotazione ben definita e si propaga sia in direzione radiale che all'interno della girante. Tale struttura è la combinazione di una serie di modi sovrapposti che interferiscono tra loro in modo costruttivo o distruttivo, generando una struttura complessiva di forma non "congelata" ma pulsante nel tempo, che genera rumore e altera il campo di moto all'ingresso del diffusore. Per valutare l'influenza del campo di moto distorto allo scarico della girante sulla fluidodinamica interna e sulle prestazioni del diffusore, una seconda indagine sperimentale è stata eseguita su di un diffusore palettato, con l'ausilio della tecnica laser PIV (Particle Image Velocimetry). I dati sperimentali sono stati sottoposti ad un'accurata analisi statistica per valutarne la significatività e sono stati poi confrontati con i risultati di un'analisi di tipo numerico, condotta sull'intera macchina. L'analisi numerica, avvalorata da quella sperimentale, ha evidenziato l'esistenza alle basse portate, in prossimità del naso della pala del diffusore, di due vortici di notevole intensità, generati dall'interazione tra la portata di tralamento entrante e la turbolenza prodotta dal passaggio delle pale della girante. Questi vortici si sviluppano lungo tutto il condotto interpalare del diffusore, disturbando la fluidodinamica interna. Sebbene essi scompaiano alle alte portate per la ridotta influenza della portata di tralamento, altri moti secondari sono comunque individuabili. Tramite criteri di visualizzazione 3D, si sono poi evidenziati dei nuclei turbolenti, provenienti dallo scarico della girante, che procedono all'interno del diffusore, interessando tutto il condotto interpalare e disturbando il deflusso del diffusore. Questi nuclei sembrano essere prodotti da fluttuazioni turbulente localizzate tutto attorno allo scarico della girante. Non si può pertanto escludere un legame con la struttura rotante di fluttuazioni di pressione precedentemente identificata. Si sono suggeriti metodi di controllo attivo per l'eliminazione della struttura rotante di pressione, nonchè vie di sviluppo per la definizione di strumenti diagnostici, basati sulla correlazione individuata tra rumore e fluidodinamica.