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PORTALE DELLA DIDATTICA

Macchine

12BNINE

A.A. 2020/21

2020/21

Macchine

L’insegnamento si propone di analizzare gli aspetti costruttivi, i principi di funzionamento e le prestazioni delle macchine a fluido, turbomacchine e macchine volumetriche, in condizioni di funzionamento nominale e ‘fuori progetto’, dei relativi impianti e la loro regolazione. In particolare, saranno trattati gli impianti di turbine a vapore, a gas, a ciclo combinato gas-vapore, ed i relativi componenti statici e dinamici, le macchine idrauliche con relativi impianti, le trasmissioni idrostatiche ed idrodinamiche, i motori alternativi a combustione interna.

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The subject aims at analysing the constructive aspects, the operation principles and the performance of fluid-flow machines, turbomachinery and volumetric machinery, with the evaluation of performance and off-design operations of both the single fluid-flow machine and the energy system in which it is inserted. In particular, the subject will cover steam and gas power plants, combined-cycle power plants, hydraulic machinery, hydraulic power transmissions and internal combustion engines.

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L’insegnamento parte da complementi di termodinamica e meccanica dei fluidi, esaminati e sottolineati dal punto di vista che più interessa nello studio delle macchine e dei sistemi energetici a fluido. Applicando con sistematicità i principi della termofluidodinamica-energetica ai sistemi di conversione dell’energia ed ai loro componenti, l’insegnamento presenta gli aspetti formativi necessari per consentire allo studente il progetto di massima e/o la scelta di una turbomacchina, di un motore a combustione interna e, più in generale, di un impianto motore oppure operatore, in relazione alla rispettiva utilizzazione. L’insegnamento fornisce non solo le nozioni per affrontare e risolvere autonomamente problematiche specifiche di progetto, di regolazione e controllo delle macchine e dei sistemi energetici, ma anche le conoscenze di base per studiare ed approfondire problematiche di macchine a fluido per impieghi più specialistici.

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Through the systematic application of the principles of thermo-fluid-dynamics to energy conversion systems and their components, the module provides the students with the ability not only to choose engines and engineering-plant solutions in relation to their applications, but also to approach and solve specific design problems by integrating the concepts acquired through the module with advanced notions on related topics. The subject gives the elements to face and individually solve specific problems for the design and control of hydraulic and thermal machines. It also provides the basic knowledge to study and deepen the issues for specialist employment of fluid flow machines.

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Sono necessarie le conoscenze di base delle Macchine a Fluido, nonché quelle derivanti dai Corsi che trattano la Termodinamica, la Termocinetica, la Meccanica Applicata alle Macchine e la Meccanica dei Fluidi.

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The knowledge acquired through the subjects of Hydraulic and Thermal Machines Fundamentals is required, along with the basic notions of Thermodynamics and Thermokinetics, Applied Mechanics and Fluid Mechanics.

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- Leggi di conservazione per processi reali in sistemi a fluido e applicazioni ai motori termici e alle turbomacchine. Interazione entropica e legge di evoluzione dell’energia per sistemi chiusi e aperti. - Combustione a volume costante e a pressione costante. Combustione in flusso stazionario. - Instabilità di funzionamento e regolazione dei turbocompressori di gas. - Compressori alternativi, rotativi a palette e Roots e loro regolazione. - Turbine idrauliche; turbopompe radiali ed assiali; turbomacchine reversibili. - Pompe e motori volumetrici idraulici; trasmissioni idrostatiche di coppia; giunti idraulici e convertitori idrodinamici di coppia. - Organizzazione delle turbine a vapore multistadio. - Analisi delle prestazioni ‘fuori progetto’ di una palettatura. Calcolo e rappresentazione del campo di funzionamento di una turbomacchina. Formule semplificate per calcolo delle prestazioni di una turbomacchina; cono dei consumi. - Metodi di regolazione delle turbine a vapore. Campo di regolazione di turbine a contropressione e ad estrazione. - Prestazioni di impianti di turbine a gas. Impianti avanzati di turbine a gas. Impianti a ciclo combinato gas-vapore; generatori di vapore a ricupero ad una e a due pressioni. - Regolazione delle turbine a gas e degli impianti a ciclo combinato gas-vapore. - Motori alternativi a combustione interna: analisi dei rendimenti ideale, limite, interno e organico. Ciclo di lavoro indicato. Coefficiente di riempimento. Influenza delle condizioni ambiente sulle prestazioni. Caratteristica meccanica e regolazione di motori ad accensione comandata e ad accensione per compressione. Sovralimentazione di motori a combustione interna. - Combustione e gasdinamica in motori ad accensione comandata e in motori Diesel. Sistemi di iniezione per motori Diesel. - Emissioni inquinanti da motori a combustione interna: formazione e tecniche per la loro riduzione.

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- Principles of energy conversion; thermodynamics of fluid-flow machines and energy systems. - Heating values and their application to thermodynamic analysis of combustion. Constant-volume and constant-pressure combustion in ideal and real processes; combustion in steady-state flows. - Gas compressors: performance characteristics, instability of the working conditions, surge and stall; control in the turbo-compressor. - Displacement compressors: reciprocating piston compressor, sliding vane compressor, Roots blower: constitution, performance and control. - Hydraulic turbines; hydraulic pumps. Fluid-flow similarity and characteristic curves. Control in pumps. Parallel and series connection of dynamic pumps to piping system. Pump cavitation, allowable suction head and permissible suction lift. - Positive displacement pumps and motors; torque hydrostatic transmissions; hydraulic joints and hydrodynamic converters - Organization of multistage steam turbines. - Off-design performance analysis of blades. Evaluation and representation of the operational range of a turboexpander. - Turbine performance map of a turbomachinery and simplified formulas for its evaluation; consumption characteristics. - Control methods for steam turbines. Operational range of back pressure and extraction steam turbines. - Gas turbine plants; analysis of ideal and actual cycles; effects of operating variables on the efficiency of the gas-turbine cycle; schemes to improve cycle efficiency. Combined power plants and cogeneration plants. - Performance characteristics of a gas turbine; control in gas turbine plants and in cogeneration plants. - Internal combustion engines: cycle analysis with ideal gas working fluid; fuel-air cycle analysis; actual engine cycles; valve-timing and valve-lift diagrams; power output, mechanical efficiency, volumetric efficiency and engine operating parameters; correction factors for power and volumetric efficiency; control characteristic and WOT mechanical characteristic for SI and CI engines. Turbocharging the internal combustion engines. - Exhaust emissions of ICEs. Overview of emission formation mechanisms: formation of CO and oxide nitrogen. Regulation framework of ICE emissions.

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Esercitazioni: le esercitazioni in aula consistono nello svolgimento di esercizi e problemi pratici in applicazione dei concetti trattati a lezione, con lo scopo sia di fornire gli ordini di grandezza dei parametri, sia di migliorare il grado di apprendimento. Laboratori: Visita ai laboratori di Macchine. Le esercitazioni proposte richiedono l’uso di calcolatrici tascabili, del diagramma di Mollier del vapor d’acqua (in forma grafica, che può essere integrato da software commerciale). I testi degli esercizi numerici saranno forniti preliminarmente agli allievi e resi disponibili sul portale WEB dell’insegnamento. Gli studenti utilizzano i testi di riferimento solo per quegli aspetti coperti dall’insegnamento.

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APPLIED LECTURES PROGRAMME The classroom training consists in solving exercises and practical problems by applying the concepts covered in the lectures. The aim of training is to give the students the order of magnitude of the main parameters and to improve their degree of understanding. LABORATORY: guided tour of the Fluid Machinery Laboratory.

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a) Materiale fornito dal docente; b) Testi di riferimento: - A.E. Catania, Complementi di Macchine, Ed. Levrotto & Bella, Torino, 1979. - G. Ferrari, Motori a combustione interna, Il Capitello, 1995. - G. Lozza, Turbine a gas e cicli combinati, Progetto Leonardo, 2007. c) Appunti disponibili presso il Centro Stampa del Politecnico di Torino: - A.E. Catania, Turbocompressori, ACSV (Appunti dai Corsi Seminariali di Vercelli), Ed. CGVCU (Comitato per la Gestione in Vercelli dei Corsi Universitari), 1990. - A.E. Catania, Compressori volumetrici, ACSV, Ed. CGVCU, 1991. - A.E. Catania, Turbine idrauliche, ACSV, Ed. CGVCU, 1992. - A. Mittica, Turbomacchine idrauliche operatrici, ACV, Ed. CGVCU, 1994.

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a) reference books: - A.E. Catania, Complementi di Macchine, Ed. Levrotto & Bella, Torino, 1979. - G. Ferrari, Motori a combustione interna, Il Capitello, 1995. - G. Lozza, Turbine a gas e cicli combinati, Progetto Leonardo, 2007. b) Notes available c/o il Centro Stampa del Politecnico: - A.E. Catania, Turbocompressori, ACSV (Appunti dai Corsi Seminariali di Vercelli), Ed. CGVCU (Comitato per la Gestione in Vercelli dei Corsi Universitari), 1990. - A.E. Catania, Compressori volumetrici, ACSV, Ed. CGVCU, 1991. - A.E. Catania, Turbine idrauliche, ACSV, Ed. CGVCU, 1992. - A. Mittica, Turbomacchine idrauliche operatrici, ACV, Ed. CGVCU, 1994.

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; 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 ha l'obiettivo di verificare che lo studente abbia acquisito la capacità di selezionare una macchina a fluido o una tipologia di impianto di conversione energetica, valutarne le prestazioni in condizioni di progetto e di fuori progetto L'esame consistete in una prova scritta ed in una eventuale prova orale. Prova scritta (110 minuti): la prova scritta si divide in due parti. Prima Parte (30/30): lo studente deve rispondere a 10 domande a risposta multipla riguardante gli argomenti sviluppati durante le lezioni teoriche. Ad ogni domanda possono essere associate più risposte corrette e possono prevedere anche semplici calcoli. La valutazione di ogni singola domanda è fatta in accordo alle seguenti regole: . +3 punti quando tutte e solo le risposte corrette sono selezionate; . 0 punti quando tutte o nessuna risposta viene selezionata; .-3 punti quando tutte e solo le risposte sbagliate vengono selezionate; . quando si selezionano sia risposte corrette che sbagliate, la valutazione viene effettuata con i pesi definiti affinché si rispettino i punti precedenti. Seconda Parte (30/30): Lo studente deve risolvere 2 esercizi numerici riguardanti gli argomenti discussi durante le esercitazioni in aula. Il punteggio assegnato ad ogni esercizio è pari a 15/30. Il voto finale dell'esame è valutato come media aritmetica tra i voti della Prima e della seconda Parte. L'esame sarà superato quando i seguenti limiti vengono rispettati: - La prima parte è stata superata con un voto pari o superiore a 12/30; - La seconda parte è stata superata con un voto pari o superiore a 12/30; - Il voto finale (media della prima e seconda parte) è pari o superiore a 18/30. Il voto massimo è pari a 30/30. Il superamento con Lode è eventualmente concesso dopo l'esame orale. Durante la prova scritta lo studente può utilizzare unicamente una calcolatrice, il diagramma di Mollier per il vapore d'acqua e le tabelle del vapore d'acqua saturo. Inoltre, può utilizzare un formulario, redatto dallo studente stesso, su un unico fogli A4. Esame Orale: l'esame orale è ad assoluta discrezione della Commissione. La selezione degli studenti che devono essere sottoposti ad esame orale è fatta sulla base degli esiti della prova scritta e in base delle indicazioni del sistema di monitoraggio. Il voto finale, in presenza dell'esame orale, viene definito sulla base di un'opportuna media pesata tra esame scritto ed orale.

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Exam: Compulsory 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 aims at verify the following students capabilities: 1) to select a proper machine in a certain plant context; 2) to select the proper plant typology for energy production; 3) to evaluate the performance of the machine/plant in design and off-design operative conditions. The exam consists of a written and, eventually, in an oral part. Written test (110 minutes): it is divided in two parts. First part (30/30): the student has to provide the answers to 10 Multiple Choice Questions (MCQs). The MCQs refer to the topics dealt within the theory of the course and some might require the solution of short numerical problems. A correct answer sums up to 3 points and the score of the corresponding answers are organised so that: +3 points are achieved if all of the correct answers are selected; 0 points are achieved if no answer or all the answers are selected; -3 points are achieved if all of the wrong answers are selected. When a mix of wrong and correct answers is selected, the obtained points are evaluated by giving to any answer a weight in accordance to the rules above defined. Second Part (30/30): there are 2 numerical exercises related to plants or fluid machines studied during the lectures. Each exercise contributes with the same weight to the final evaluation of the written part (15/30 for each exercise). The final mark is determined as the arithmetic average of the results obtained for the first and second part. The exam will be passed when: - The first part is passed with a mark higher or equal to 12/30; - The second part is passed with a mark higher or equal to 12/30; - The final mark (arithmetic average of the first and second part) is higher or equal to 18/30. The maximum mark is 30/30. The exam evaluation "cum laude" is eventually provided after the oral exam. During the written test students can use a scientific calculator, the Mollier diagram for water steam, the tables for the saturated vapour of water. Furthermore, the student can use a A4 paper with formulas that has to be composed by the student himself. Oral Exam: the oral exam is at the sole discretion of the exam board. The board will select the students that are supposed to sit the exam depending on the outcome of the written part as well as on the Lockdown Browser feedbacks and REGARDLESS of the mark. If so, the final mark will be a proper weighted average between the outcomes of the written part and of the oral test.

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;

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L'esame ha l'obiettivo di verificare che lo studente abbia acquisito la capacità di selezionare una macchina a fluido o una tipologia di impianto di conversione energetica, valutarne le prestazioni in condizioni di progetto e di fuori progetto L'esame consistete in una prova scritta ed in una prova orale. Prova scritta (130 minuti - 30/30): lo studente deve risolvere 2 esercizi numerici riguardanti gli argomenti discussi durante le esercitazioni in aula. Il punteggio assegnato ad ogni esercizio è pari a 15/30. Durante la prova scritta lo studente può utilizzare unicamente una calcolatrice, il diagramma di Mollier per il vapore d'acqua e le tabelle del vapore d'acqua saturo. Inoltre, può utilizzare un formulario, redatto dallo studente stesso, su un unico fogli A4. Esame Orale (30/30): l'esame orale è obbligatorio e può essere sostenuto solo quando la prova scritta ha avuto un esito pari o superiore a 12/30. Gli argomenti su cui l'esame orale si concentra si riferiscono a tutte le tematiche discusse durante le lezioni teoriche e le esercitazioni. Il voto finale dell'esame è valutato come media aritmetica tra i voti della prova scritta e della prova orale. L'esame è superato quando: - La prova scritta è stata superata con un voto pari o superiore a 12/30; - La prova orale è stata superata con un voto pari o superiore a 12/30; - Il voto finale (media di prova scritta e orale) è pari o superiore a 18/30. Il voto massimo è pari a 30/30. Il superamento con Lode è concesso quando lo studente ha superato entrambe le prove, scritta ed orale, con voto pari a 30/30.

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Exam: Written test; Compulsory oral exam;

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The exam aims at verify the following students capabilities: 1) to select a proper machine in a certain plant context; 2) to select the proper plant typology for energy production; 3) to evaluate the performance of the machine/plant in design and off-design operative conditions. The exam consists of a written and a mandatory oral exam. Written test (130 minutes - 30/30): there are 2 numerical exercises related to plants or fluid machines studied during the lectures. Each exercise contributes with the same weight to the final evaluation of the written part (15/30 for each exercise). During the written test students can use a scientific calculator, the Mollier diagram for water steam, the tables for the saturated vapour of water. Furthermore, the student can use a A4 paper with formulas that has to be composed by the student himself. Oral Exam (30/30): the oral exam is mandatory and the student can sit for it only when the final mark of the written test is higher or equal to 12/30. The oral exam involves a discussion about all the topics of the course lectures and applied lectures. The final mark is determined as the arithmetic average of the results obtained in the written and oral exam. The exam will be passed when: - The written part is passed with a mark higher or equal to 12/30; - The oral part is passed with a mark higher or equal to 12/30; - The final mark (arithmetic average between the marks of the written and oral exam) is higher or equal to 18/30. The maximum mark is 30/30. The exam evaluation "cum laude" is provided when the student passes both the written and oral exam with a mark of 30/30.

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