Sviluppo di modelli matematici per il calcolo delle perdite di carico nei sistemi di aspirazione di Turbine a Gas

This thesis investigates pressure drop in gas turbine intake systems. A methodology is defined to develop mathematical models capable of estimating these losses as a function of the geometric and construction features of intake components. The aim is to describe the broadest possible range of intake duct configurations that assume different sizes and geometries while they are built for Heavy Duty, Industrial or Aero-derivative Gas Turbines. The developed models are then implemented in an automated, user-friendly Excel tool. The research was carried out in cooperation with Baker Hughes – Nuovo Pignone, at the Porto Recanati office, within the "Air Duct and Ventilation" division. The proposed methodology is based on the comparison between operational or experimental data and numerical results. The experimental data were collected from literature sources or from running turbine data, while the numerical results were generated through Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The CFD analyses were performed to study typical intake duct fittings including parallel baffle silencers, transitions and elbows, both as individual components and in coupled configurations where mutual interaction is significant. The geometric and construction parameters of these components and their effect on pressure drop were investigated and the numerical data were post-processed to define predictive mathematical correlations. The goal of this research is to avoid time-consuming CFD simulations during the early stages of the design process while still providing accurate pressure drop predictions. Indeed, the results demonstrate that only a deviation below 10\% was detected between numerical and experimental data. In addition, the proposed tool significantly reduces pressure drop calculation time because no 3D models or meshing processes are required anymore. These findings provide engineers not only with a valuable tool for the pressure losses estimation, but also with useful insights for gas turbine intake systems design. In particular, the analyses of component interaction suggest which are the most efficient and compact configurations. Future work will focus on expanding the fittings database and extending the proposed workflow to gas turbine exhaust systems.

Questa tesi analizza le perdite di carico nei sistemi di aspirazione delle turbine a gas. Viene definita una metodologia per sviluppare modelli matematici in grado di stimare tali perdite in funzione delle caratteristiche geometriche e costruttive dei componenti dell'aspirazione. L'obiettivo è descrivere la più ampia gamma possibile di configurazioni dei condotti di aspirazione, che assumono dimensioni e geometrie differenti a seconda che siano realizzati per turbine a gas di tipo Heavy Duty, industriali o di derivazione aeronautica (Aero-derivative). I modelli sviluppati sono stati successivamente implementati in uno strumento Excel automatizzato e di facile utilizzo. La ricerca è stata condotta in collaborazione con Baker Hughes – Nuovo Pignone, presso la sede di Porto Recanati, all'interno della divisione "Air Duct and Ventilation". La metodologia proposta si basa sul confronto tra dati operativi o sperimentali e risultati numerici. I dati sperimentali sono stati raccolti da fonti bibliografiche o da dati di turbine in funzione, mentre i risultati numerici sono stati generati tramite simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD). Le analisi CFD sono state eseguite per studiare i tipici raccordi dei condotti di aspirazione, tra cui silenziatori a setti paralleli, transizioni e gomiti, sia come singoli componenti sia in configurazioni accoppiate in cui l'interazione reciproca è significativa. Sono stati indagati i parametri geometrici e costruttivi di questi componenti e il loro effetto sulle perdite di carico; i dati numerici sono stati poi post-processati per definire correlazioni matematiche predittive. L'obiettivo di questa ricerca è evitare simulazioni CFD dispendiose in termini di tempo durante le prime fasi del processo di progettazione, fornendo al contempo previsioni accurate delle perdite di carico. I risultati dimostrano infatti che è stato riscontrato uno scostamento inferiore al 10% tra i dati numerici e quelli sperimentali. Inoltre, lo strumento proposto riduce significativamente i tempi di calcolo delle perdite di carico, poiché non sono più richiesti modelli 3D o processi di meshatura. Questi risultati forniscono agli ingegneri non solo uno strumento prezioso per la stima delle perdite di carico, ma anche spunti utili per la progettazione dei sistemi di aspirazione delle turbine a gas. In particolare, le analisi sull'interazione dei componenti suggeriscono quali siano le configurazioni più efficienti e compatte. Gli sviluppi futuri si concentreranno sull'ampliamento del database dei raccordi e sull'estensione del flusso di lavoro proposto ai sistemi di scarico delle turbine a gas.