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Fondamenti di macchine e di oleodinamica

01NIHMN

A.A. 2022/23

2020/21

Fondamenti di macchine e di oleodinamica

Vengono trattati gli aspetti di carattere termodinamico, fluidodinamico e costruttivo, necessari per una corretta comprensione e valutazione quantitativa del funzionamento delle macchine termiche ed idrauliche, con particolare riferimento alle turbomacchine e agli impianti nei quali esse sono inserite. Vengono inoltre esaminati i componenti oleodinamici in termini di simbologia grafica, indici di prestazione e caratteristiche operative.

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The course is composed of two modules, the first of which concerns with the fundamentals of thermal and hydraulic machines, whereas the second one deals with fluid-power fundamentals. The first module aims at supplying the basic aspects of thermal and hydraulic machines, with specific reference to: constructive aspects, operation principles, thermodynamic and fluid-dynamic laws, needed for a correct evaluation of performance and off-design operations of the single machine and of the energy system in which it is integrated. The second module presents and analyzes fluid power components and basic systems, in terms of their symbolic representation, layout, constructive and operational features. For those who will attend the second level degree courses, the acquired notions and skills will constitute also the base for subsequent mastery through the specializing courses.

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Le competenze acquisite consentiranno al futuro ingegnere di sviluppare le valutazioni quantitative e i calcoli necessari ad assumere le decisioni scientificamente, tecnicamente ed economicamente più corrette per le macchine e per gli impianti in cui queste sono inserite. Lo studente conoscerà i principi fisici di base ed i fenomeni fluidodinamici e termodinamici di maggior interesse per le macchine a fluido termiche ed idrauliche e sarà in grado di identificare i principali componenti oleodinamici, interpretando correttamente e criticamente il loro ruolo e funzionamento in un sistema motore od operatore, in relazione al suo uso finale. Ne deriverà un esperto in grado di operare le scelte più opportune sia per gli impianti sia per le macchine che li compongono sotto diversi aspetti: funzionale, energetico, economico ed ambientale.

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Through the systematic application of the thermo-fluid-dynamics principles to energy systems and their components, the module provides the students with the ability to choose turbomachines, engines, fluid-power systems and engineering-plant solutions in relation to their applications.

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Sono propedeutiche le conoscenze di base di Analisi Matematica, Geometria, Fisica, Termodinamica, Meccanica dei Fluidi, Meccanica maturate in insegnamenti precedenti del corso di laurea.

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The basic knowledge achieved in Thermodynamics, Thermo-kinetics, Applied Mechanics and Fluid Mechanics is required, with the awareness of concepts covered in Physics and 3D modeling.

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• Generalità e classificazione delle machine: macchine idrauliche e termiche; macchine motrici ed operatrici; macchine volumetriche e turbomacchine. • Fondamenti di termodinamica applicata alle macchine: leggi di conservazione della massa e dell'energia in forma lagrangiana ed euleriana; entropia e leggi di evoluzione dell'energia; legge di conservazione della quantità di moto e del momento della quantità di moto per la valutazione del lavoro tecnico di una turbomacchina. Formulazione integrale, unidimensionale e locale delle leggi di conservazione. • Triangoli delle velocità per lo studio unidimensionale di una turbomacchina. Flussi bidimensionali in profili in schiera e meccanismo di generazione della coppia nelle palettature. • Flussi compressibili unidimensionali. Calcolo di ugelli e diffusori in condizioni nominali di funzionamento, analisi del loro comportamento in condizioni diverse da quelle di progetto. Flussi di Fanno e di Rayleigh in condotti a sezione costante. Caratterizzazione del choking. • Impianti di turbina a vapore. Ciclo Rankine-Hirn. Mezzi per aumentare il rendimento del ciclo a vapore. Valutazione delle prestazioni degli impianti a ciclo semplice, rigenerativi e cogenerativi. • Impianti di turbina a gas. Ciclo Joule-Brayton. Valutazione delle prestazioni degli impianti a ciclo semplice reale. Cenni alle metodologie utilizzate per aumentare il rendimento ed il lavoro utile. Impianti di turbina a gas cogenerativi e impianti a ciclo combinato gas-vapore. • Teoria della similitudine fluidodinamica e sua applicazione alle turbomacchine. • Turbomacchine. Classificazione e principi generali di funzionamento. − Turbine. Perdite fluidodinamiche in uno stadio di turbina. Rendimento total-to-total e total-to-static di uno stadio di turbina. Rendimento di una turbina multistadio e fattore di recupero. Studio unidimensionale di uno stadio di turbina. Grado di reazione. − Turbocompressori. Classificazione e principi di funzionamento. Lavoro di compressione; rendimento isentropico ed idraulico. Compressore centrifugo e compressore assiale, triangoli delle velocità e determinazione della caratteristica manometrica. Cenni alle instabilità di funzionamento dei turbocompressori. − Turbopompe. Definizione delle grandezze caratteristiche di funzionamento e dei rendimenti delle macchine idrauliche. Curve caratteristiche delle turbopompe, caratterizzazione del funzionamento in condizioni di similitudine fluidodinamica. • Oleodinamica. Schemi simbologici equivalenti secondo la normativa ISO 1219-1. Modello del flusso incompressibile, equazioni di base per i flussi laminari e per la lubrificazione, coefficiente di efflusso. Nozioni di propagazione ondosa. Gruppi di alimentazione. Principi di funzionamento delle valvole per il controllo della direzione, per il controllo della pressione e per il controllo della portata. Teoria dei blocchi funzionali. Cenni a pompe e ad attuatori.

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Fundamental of thermal and hydraulic machines • Introduction to fluid machines. Thermodynamics and fluid-dynamics applied to fluid machines. Velocity diagrams, Euler work equation. • 1D theory of compressible flows: nozzles and diffusers. Design of a nozzle, off-design performance. Fanno and Rayleigh flows. • Steam power plants. Co-generative steam plants. • 1-D analysis of turbine stages and 2D flow analysis of blades of turbomachines (potential flow theory). • Axial and radial turbo-compressors. • Gas turbine plants. Combined vapor-gas turbine plants. • Hydraulic pumps. Fundamental of fluid power • Introduction to fluid power: advantages and drawbacks. • ISO 1219-1 regulation: nomenclature and symbols. • Operating principles for directional control valves, pressure control valves and flow control valves. • Equations for laminar flows and for lubrication, nozzle flow coefficient. • Function blocks. • Flow generating groups. • Hydraulic pumps and motors. • Valves architecture.

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Oltre alle lezioni, l'insegnamento prevede esercitazioni svolte in aula ed in laboratorio, atte ad approfondire tramite esercizi i concetti illustrati durante le lezioni.

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The course is made up of lectures and applied lectures. The applied lectures consist of exercises meant to further deepen the understanding of the concepts dealt with within the lectures.

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• A. Ferrari, “Fondamenti di termofluidodinamica per le macchine”, Città Studi, De Agostini, 2019. • A. E. Catania, "Complementi di Macchine", Levrotto & Bella, 1979. Fotocopie fornite dai docenti (materiale non disponibile in commercio) tratte da: • A. E. Catania, "Turbocompressori", Appunti dai corsi seminariali di Vercelli, 1990. • A Mittica, "Turbomacchine idrauliche operatrici", Appunti dai corsi seminariali di Vercelli, 1991. • A. Capetti, "Motori termici", UTET, 1967. Per ulteriori approfondimenti di alcuni argomenti si può fare riferimento a: • G. Lozza, “Turbine a gas e cicli combinati”, Terza Edizione, Società Editrice Esculapio, 2016. • V. Dossena, G. Ferrari, P. Gaetani, G. Montenegro, A. Onorati, G. Persico, “Macchine a fluido”, Città Studi Edizioni, 2015. • N. Nervegna, “Oleodinamica e Pneumatica”, Politeko, ed. 2003. • Fotocopie fornite dai docenti (materiale non disponibile in commercio).

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References • M.J. Moran, H.N. Shapiro, “Fundamentals of Engineering Thermodynamics”, 5th ed., John Wiley & Sons. • S.L. Dixon, C.A. Hall, “Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery”, 6th ed., Butterworth-Heinemann, Elsevier. • Lecture Slides • Exercise book (optional): C. Dongiovanni, D. Misul, “Exercises on Thermal and Hydraulic Machines”, CLUT Eds, Torino. Required material Mollier diagram for steam (“Diagramma entalpico per il vapor d’acqua”), CLUT Eds. To be procured by the student. Saturation lines tables for steam. Provided by the teacher.

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Modalità di esame: Prova orale facoltativa; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

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L’esame consta di una parte scritta e, quando prevista dal docente, di una parte orale facoltativa (il docente, a sua discrezione, può comunque sempre decidere di sottoporre lo studente alla prova orale per verifica, anche in base all'analisi delle videoregistrazioni acquisite durante gli esami scritti). L’esame scritto è costituito da una parte oppure da due parti in successione: • la prima parte (sempre presente) consta di 15 o 18 domande a scelta multipla (la durata può variare da 1 ora e 50 minuti a 50 minuti a seconda della presenza o meno della seconda parte e in base al docente). Questa parte è relativa agli argomenti di teoria dell'insegnamento ma possono anche essere presenti quesiti che richiedono la soluzione di brevi esercizi numerici. Per ogni risposta corretta sono assegnati 2 punti, per ogni risposta non data sono assegnati 0 punti, per ogni risposta errata sono assegnati -0.5 punti. Il punteggio massimo della prima parte è in ogni caso saturato a 30/30; • la seconda parte (a discrezione del docente) consta di 2 o 3 esercizi relativi all’intero programma dell'insegnamento (voto massimo 30/30). La difficoltà degli esercizi di esame è analoga a quelli proposti durante le esercitazioni. La durata della seconda parte è di 2 ore e 30 minuti. L’esame risulta superato se il punteggio della prima parte scritta (a risposte multiple) è maggiore o uguale a 15/30, se i quesiti proposti sono 15, oppure a 18/30 se i quesiti proposti sono 18, e se contemporaneamente il punteggio della seconda parte scritta (quando presente) è maggiore o uguale a 15/30, se gli esercizi proposti sono 2, oppure a 18/30 se gli esercizi proposti sono 3. Il voto finale della parte scritta risulta dalla media aritmetica delle valutazioni relative alle due parti (se la seconda parte è presente, altrimenti è dato dal voto conseguito nella sola prima parte). In presenza di esame orale facoltativo (di durata compresa tra 30 e 45 minuti), il voto dello scritto verrà comunque saturato a 26/30 e per ottenere una votazione finale maggiore sarà necessario sostenere il colloquio orale, nel qual caso il voto finale risulterà dalla media tra esame scritto ed esame orale. Specificatamente per il terzo insegnamento, la parte orale è a totale discrezione del docente, ma è comunque obbligatoria per votazioni inferiori a 18/30. Eventuali richieste di sostenere l’esame orale avanzate dagli studenti verranno prese in considerazione e in tutti i casi il voto finale sarà pesato sugli esiti della prova scritta e di quella orale.

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Exam: Optional oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

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The exam consists of a written part and of a possible elective oral exam (this option can be allowed by the professor who can in all cases decide to interview the student, also based on the Lockdown Browser feedbacks and regardless of the mark). The written exam can consist of either one or two parts: • the first part (this is always planned) can include 15 or 18 questions with multiple responses (this part can last from 50 minutes to 1 hour and 50 minutes depending on the absence or presence of the second part of the written exam and also based on the professor). The questions can be related to theoretical topics or can require the solution of quick exercises. Each correct answer addes 2 points, each left answer is without effect (0 point) and a penalty of -0.5 points is introduced for each wrong answer . The maximum score is in all the cases equal to 30/30; • the second part (this can be planned or not, depending on the professor) can include 2 or 3 exercices, which have the same difficulty as those proposed during the applied lectures. The maximum score for this part is 30/30. The second part lasts 2 hours and 30 minutes. The exam is generally passed when the following two conditions are simultaneously satisfied: - the score of the first part of the written exam is higher than or equal to 15/30, if the number of the proposed questions is 15, or is higher than or equal to 18/30, if the number of the proposed questions is 18; - the score of the second part (whenever is planned) of the written exam is higher than or equal to 15/30, if 2 exercises are assigned to the students, or is higher than or equal to 18/30, if 3 exercises are assigned to the students. The final score of the written exam is equal to the arithmetic average between the scores pertaining to the first and second parts (this obviously holds only if the second part is performed). However, when the elective oral exam is allowed (it can last from 30 to 45 minutes), the maximum score without oral exam cannot exceed 26/30. If the elective oral exam is performed by the candidate, the final score will be an average bewteen the scores pertaining to written and oral exams. For the third course, the oral exam is at the sole discretion of the exam board and is anyhow compulsory provided that the mark of the written part falls below 18/30. If so, the final mark will be a proper weighted average between the outcomes of the written part and of the oral test. Requests from students willing to take the oral exam will also be considered.

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus); Elaborato progettuale in gruppo;

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L’esame consta di una parte scritta e, quando prevista dal docente, di una parte orale facoltativa (il docente, a sua discrezione, può comunque sempre decidere di sottoporre lo studente alla prova orale per verifica, anche in base all'analisi delle videoregistrazioni acquisite durante gli esami scritti). L’esame scritto è costituito da una parte oppure da due parti in successione: • la prima parte consta di 15 o 18 domande a scelta multipla (la durata può variare da 1 ora e 50 minuti a 50 minuti a seconda della presenza o meno della seconda parte e in base al docente). Questa parte è relativa agli argomenti di teoria dell'insegnamento ma possono anche essere presenti quesiti che richiedono la soluzione di brevi esercizi numerici. Per ogni risposta corretta sono assegnati 2 punti, per ogni risposta non data sono assegnati 0 punti, per ogni risposta errata sono assegnati -0.5 punti. Il punteggio massimo della prima parte è in ogni caso saturato a 30/30; • la seconda parte (a discrezione del docente) consta di 2 o 3 esercizi relativi all'intero programma dell'insegnamento (voto massimo 30/30). La difficoltà degli esercizi di esame è analoga a quelli proposti durante le esercitazioni. La durata della seconda parte è di 2 ore e 30 minuti. L’esame risulta superato se il punteggio della prima parte scritta (a risposte multiple) è maggiore o uguale a 15/30, se i quesiti proposti sono 15, oppure a 18/30 se li quesiti proposti sono 18, e se contemporaneamente il punteggio della seconda parte scritta (quando presente) è maggiore o uguale a 15/30, se gli esercizi proposti sono 2, oppure a 18/30 se gli esercizi proposti sono 3. Il voto finale della parte scritta risulta dalla media aritmetica delle valutazioni relative alle due parti (se la seconda parte è presente, altrimenti è dato dal voto conseguito nella sola prima parte). In presenza di esame orale facoltativo (di durata compresa tra 30 e 45 minuti), il voto dello scritto verrà comunque saturato a 26/30 e per ottenere una votazione finale maggiore sarà necessario sostenere il colloquio orale, nel qual caso il voto finale risulterà dalla media tra esame scritto ed esame orale. Specificatamente per il terzo insegnamento, la parte orale è a totale discrezione del docente, ma è comunque obbligatoria per votazioni inferiori a 18/30. Eventuali richieste di sostenere l’esame orale avanzate dagli studenti verranno prese in considerazione e in tutti i casi il voto finale sarà pesato sugli esiti della prova scritta e di quella orale.

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Exam: Written test; Optional oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus); Group project;

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The exam consists of a written part and of a possible elective oral exam (this option can be available or not, depending on the professor, who can in all cases decide to interview the student, also based on the Lockdown Browser feedbacks and regardless of the mark). The written exam can consist of either one or two parts: • the first part includes 15 or 18 questions with multiple responses (this part can last from 50 minutes to 1 hour and 50 minutes, depending on the absence or presence of the second part of the written exam and also based on the professor). The questions can be related to theoretical topics or can require the solution of quick exercises. Each correct answer addes 2 points, each left answer is without effect (0 point) and a penalty of -0.5 points is introduced for each wrong answer . The maximum score is in all the cases equal to 30/30; • the second part (this can be planned or not, depending on the professor) includes 2 or 3 exercices, which have the same difficulty as those proposed during the applied lectures. The maximum score for this part is 30/30. The second part lasts 2 hours and 30 minutes. The exam is passed when the following two conditions are simultaneously satisfied: - the score of the first part of the written exam is higher than or equal to 15/30, if the number of the proposed questions is 15, or is higher than or equal to 18/30, if the number of the proposed questions is 18; - the score of the second part (whenever is planned) of the written exam is higher than or equal to 15/30, if 2 exercises are assigned to the students, or is higher than or equal to 18/30, if 3 exercises are assigned to the students. The final score of the written exam is equal to the arithmetic average between the scores pertaining to the first and second parts. However, when the elective oral exam is allowed (it can last from 30 to 45 minutes), the maximum score without oral exam cannot exceed 26/30. If the elective oral exam is performed by the candidate, the final score will be an average bewteen the scores pertaining to written and oral exams. For the third course, the oral exam is at the sole discretion of the exam board and is anyhow compulsory provided that the mark of the written part falls below 18/30. If so, the final mark will be a proper weighted average between the outcomes of the written part and of the oral test. Requests from students willing to take the oral exam will also be considered.



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