Sviluppo di strumenti per l'ottimizzazione del progetto aerodinamico di turbomacchine assiali

La tesi propone un modello throughflow inverso da impiegare durante la fase assialsimmetrica del processo di progetto di una turbomacchina. Il modello risolve con tecnica time marching le equazioni meridiane di Eulero, nelle quali un campo di forza volumica normale alle superfici medie delle pale ("blade force") ne riproduce l’azione sul flusso. La geometria delle superfici è ricavata dalla condizione di tangenza, in accordo con la componente tangenziale della "blade force" imposta come dato di progetto. La distribuzione meridiana della blade force sulle regioni palettate del flowpath è definibile attraverso un processo di ottimizzazione inversa. Le equazioni di Eulero contengono anche altri termini destinati a riprodurre gli effetti del bloccaggio delle pale e delle perdite di profilo. La tesi affronta in particolare il problema delle alte deflessioni (pale di turbina), sia sotto l’aspetto fisico, individuando le più opportune condizioni al contorno da associare alle equazioni di Eulero, sia sotto l’aspetto numerico, introducendo uno schema upwind di tipo implicito per contrastare le instabilità che quelle condizioni comportano. Lo schema si rivela molto efficiente e robusto nel generare singole schiere di apertura infinita, non altrettanto se applicato a stadi di turbina completi. Per questa ragione, la tesi indaga anche la variante diretta del modello throughflow, che valuta la "blade force" (e perciò le prestazioni della macchina) a partire da un’assegnata geometria delle superfici medie. Pur con le sue limitazioni, il solutore inverso è ugualmente introdotto in ottimizzatori esistenti, allo scopo di illustrare alcuni esempi di ottimizzazione inversa per configurazioni fortemente deflesse.