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Thermal machines and structural mechanics
01TUZND
A.A. 2025/26
Structural mechanics
Le macchine termiche svolgono ancora oggi un ruolo fondamentale nella produzione di energia, nei trasporti e nei sistemi industriali di conversione energetica. Nell’attuale scenario di transizione energetica, il loro impiego richiede l’adozione di tecnologie e strategie operative avanzate finalizzate al miglioramento dell’efficienza, alla riduzione delle emissioni inquinanti e al supporto dei processi di decarbonizzazione. L’insegnamento fornisce i principi fondamentali necessari per l’analisi delle macchine termiche e dei sistemi di conversione energetica, con particolare riferimento agli impianti a turbina a gas, agli impianti a vapore, alle turbine idrauliche e ai motori a combustione interna. A partire dai principi della termodinamica e della fluidodinamica, l’insegnamento presenta il comportamento operativo, le caratteristiche prestazionali e i processi di conversione energetica dei diversi sistemi. Particolare attenzione è dedicata alla valutazione delle prestazioni sia in condizioni di progetto sia in condizioni di funzionamento fuori progetto, nonché all’analisi dei metodi di regolazione e controllo adottati per le macchine termiche e idrauliche. Coerentemente con gli obiettivi formativi del Corso di Studio, l’insegnamento affronta inoltre approcci ingegneristici finalizzati al miglioramento dell’efficienza e della sostenibilità ambientale delle macchine termiche e dei sistemi di propulsione. In particolare, vengono analizzate metodologie per la riduzione dei consumi di combustibile e delle emissioni inquinanti nelle turbine a gas e nei motori a combustione interna, insieme a soluzioni tecnologiche a supporto dello sviluppo di sistemi di mobilità e conversione energetica più sostenibili. L’insegnamento combina lezioni teoriche, esercitazioni numeriche ed esempi applicativi, consentendo agli studenti di sviluppare la capacità di analizzare e valutare comportamento, regolazione e prestazioni delle macchine termiche sia dal punto di vista ingegneristico sia sotto il profilo della sostenibilità.
Structural mechanics
Thermal machines still play a fundamental role in power generation, transportation and industrial energy conversion systems. In the current energy transition scenario, their continued use requires the adoption of advanced technologies and operating strategies aimed at improving efficiency, reducing pollutant emissions and supporting progressive decarbonization. The course provides the fundamental principles required for the analysis of thermal machines and energy conversion systems, with particular reference to gas turbine plants, steam power plants, hydraulic turbines and internal combustion engines. Starting from thermodynamic and fluid-dynamic principles, the course presents the operating behaviour, performance characteristics and energy conversion processes of the different systems. Particular attention is devoted to the evaluation of system performance under design and off-design operating conditions, as well as to the analysis of the regulation and control methods adopted for thermal and hydraulic machines. Coherently with the educational objectives of the Degree Programme, the course also addresses engineering approaches aimed at improving the efficiency and environmental sustainability of thermal machines and propulsion systems. Specific attention is devoted to methodologies for reducing fuel consumption and pollutant emissions in gas turbines and internal combustion engines, together with technological solutions supporting the development of more sustainable mobility and energy conversion systems. The course combines theoretical lectures, numerical exercises and application examples, enabling students to develop the capability to analyse and evaluate the behaviour, regulation and performance of thermal machines from both engineering and sustainability perspectives.
Structural mechanics
Al termine dell’insegnamento, gli studenti avranno acquisito le conoscenze necessarie per comprendere i principi di funzionamento, i cicli termodinamici e i processi di conversione energetica caratteristici degli impianti a turbina a gas, degli impianti a vapore, delle turbine idrauliche e dei motori a combustione interna. Gli studenti svilupperanno la capacità di interpretare il comportamento operativo delle macchine termiche e idrauliche, analizzandone le prestazioni sia in condizioni di progetto sia in condizioni di funzionamento fuori progetto. Gli studenti saranno in grado di valutare l’influenza dei principali parametri progettuali e operativi sull’efficienza, sulla potenza erogata e sulle prestazioni complessive dei sistemi attraverso l’applicazione dei bilanci di massa, energia e delle equazioni termodinamiche. Acquisiranno inoltre la capacità di analizzare e applicare i principali metodi di regolazione e controllo adottati per le macchine termiche e idrauliche, comprendendone il ruolo nel garantire un funzionamento stabile, efficiente e affidabile in condizioni di carico variabile. Attraverso esercitazioni numeriche ed esempi applicativi, gli studenti svilupperanno la capacità di risolvere problemi ingegneristici relativi alla valutazione delle prestazioni di macchine termiche, sistemi di propulsione e impianti di produzione di energia, interpretando criticamente i risultati ottenuti sia dal punto di vista termodinamico sia da quello operativo. L’insegnamento fornirà inoltre agli studenti gli strumenti metodologici necessari per analizzare soluzioni tecnologiche finalizzate al miglioramento dell’efficienza energetica e della sostenibilità ambientale delle macchine termiche e dei sistemi di propulsione. In particolare, gli studenti acquisiranno consapevolezza degli approcci ingegneristici attualmente adottati per ridurre consumi di combustibile ed emissioni inquinanti nelle turbine a gas e nei motori a combustione interna, nonché dell’evoluzione tecnologica a supporto dello sviluppo di sistemi di mobilità e conversione energetica più sostenibili.
Structural mechanics
At the end of the course, students are expected to acquire the knowledge required to understand the operating principles, thermodynamic cycles and energy conversion processes characterizing gas turbine plants, steam power plants, hydraulic turbines and internal combustion engines. Students will develop the capability to interpret the operating behaviour of thermal and hydraulic machines, analysing their performance both under design and off-design operating conditions. Students will be able to evaluate the influence of the main design and operating parameters on efficiency, power output and overall system performance through the application of mass, energy and thermodynamic balance equations. They will also acquire the capability to analyse and apply the main regulation and control methods adopted for thermal and hydraulic machines, understanding their role in ensuring stable, efficient and reliable operation under variable load conditions. Through numerical exercises and application examples, students will develop the ability to solve engineering problems related to the performance evaluation of thermal machines, propulsion systems and power generation plants, critically interpreting the obtained results from both thermodynamic and operational perspectives. The course will additionally provide students with the methodological tools required to analyse technological solutions aimed at improving the energy efficiency and environmental sustainability of thermal machines and propulsion systems. In particular, students will develop awareness of the engineering approaches currently adopted to reduce fuel consumption and pollutant emissions in gas turbines and internal combustion engines, as well as of the technological evolution supporting the development of more sustainable mobility and energy conversion systems.
Structural mechanics
Per una proficua fruizione dell’insegnamento, gli studenti devono possedere le conoscenze fondamentali di termodinamica, fluidodinamica e trasmissione del calore tipicamente acquisite negli insegnamenti di base dell’area termica. In particolare, è richiesta familiarità con i principi di conservazione della massa e dell’energia, con le proprietà termodinamiche dei fluidi, con le trasformazioni termodinamiche e con le basi dell’analisi fluidodinamica. È inoltre raccomandata una preparazione preliminare sui principi fondamentali delle macchine a fluido e dei sistemi di conversione energetica, al fine di facilitare la comprensione del comportamento operativo e dell’analisi prestazionale delle macchine termiche e idrauliche. Conoscenze di base di meccanica applicata e di sistemi energetici risultano utili per comprendere il comportamento operativo, la regolazione e l’analisi delle prestazioni delle macchine termiche e idrauliche.
Structural mechanics
For a profitable attendance of the course, students are expected to possess the fundamental knowledge of thermodynamics, fluid mechanics and heat transfer typically acquired in basic thermal sciences courses. In particular, students should be familiar with the principles of mass and energy conservation, thermodynamic properties of fluids, thermodynamic transformations and basic fluid-dynamic analysis. A prior background on the fundamental principles of fluid machinery and energy conversion systems is also recommended in order to facilitate the understanding of the operating behaviour and performance analysis of thermal and hydraulic machines. Basic knowledge of applied mechanics and energy systems is beneficial for understanding the operating behaviour, regulation and performance analysis of thermal and hydraulic machines.
Structural mechanics
- Introduzione: Panoramica sullo scenario energetico attuale e sulle motivazioni alla base dell’analisi delle macchine termiche e dei sistemi di conversione energetica. Impianti a vapore Impianti Turbine a Vapore -Richiami sui fondamenti del ciclo - Analisi di impianti reali e delle principali tendenze tecnologiche - Aspetti ambientali: panoramica sulle emissioni inquinanti degli impianti e sulle relative tecnologie di post-trattamento - Funzionamento fuori progetto (Off-Design Operation) Impianti a turbina a gas - Richiami sui fondamenti del ciclo Brayton-Joule - Dal ciclo ideale al ciclo reale: analisi delle principali fonti di perdita e dei parametri operativi più rilevanti - Analisi di impianti reali e delle principali tendenze tecnologiche - Aspetti ambientali: panoramica sulle emissioni inquinanti degli impianti e sulle relative tecnologie di post-trattamento - Funzionamento fuori progetto (Off-Design Operation) Tecnologie delle turbine idrauliche - Introduzione: confronto tra diverse metodologie per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili - Caratteristiche principali delle diverse categorie di turbine idrauliche e relativi parametri operativi - Definizione dei sistemi di regolazione delle turbine e delle curve caratteristiche di prestazione Motori a combustione interna - Introduzione: confronto tra diverse categorie e configurazioni di motori, con particolare attenzione alle applicazioni powerplant - Analisi dell’efficienza - Definizione dei parametri operativi e delle curve caratteristiche dei motori a combustione interna - Panoramica sulle principali tecnologie per il miglioramento delle prestazioni e dell’efficienza del motore - Analisi delle emissioni inquinanti dei motori e delle relative tecnologie di post-trattamento - Combustibili alternativi: biocarburanti ed e-fuels
Structural mechanics
- Introduction - Overview on the energy scenario & motivation for thermal machine analyses ==> 1 h - Steam Power Plants - Recap of fundamentals of the Rankine-Hirn Cycle ==> 1.5 h - Analysis of real power plants and of the main technology trends ==> 1.5 h - Environmental issues: overview plants pollutant emissions and on the aftertreatment technologies ==> 1.5 h - Alternative Fuels: Bio & e-fuels - Off-Design Operation. ==> 4.5 h - Gas Turbine Plants: - Analysis of real power plants and of the main technology trends ==> 3 h - Environmental issues: overview plants pollutant emissions and on the aftertreatment technologies ==> 1.5 h - Use of Alternative Fuels: bio and e-fuels ==> 1.5h - From the ideal Cycle to the real one: analysis of the main sources of loss and of the most important operating parameters ==> 3 h - Off-Design Operation ==> 4.5 h - Hydraulic Turbine Technologies - Introduction: comparison among different methodologies to produce electricity from renewable sources ==> 1 h - Key Features of main categories of Hydraulic turbines and their operating parameters ==>3 h - Definition of Turbine regulation and performance curves ==> 1 h - Analysis of the Main Turbine Categories (Pelton, Francis, Kaplan) ==> 6 h - Internal Combustion Engines: - Introduction: comparison among different engine categories and configurations ==> 4.5 h - Efficiency analysis ==> 4.5 h - Overview on the main technologies to improve the performance and the efficiency of the engine ==>3 h - Analyses of the engine pollutant emissions and of their aftertreatment technologies ==> 3 h -Alternative fuels: biofuels and e-fuels ==> 1.5 h
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Structural mechanics
Structural mechanics
L’insegnamento è organizzato attraverso lezioni teoriche ed esercitazioni in aula relative a tutti gli argomenti trattati durante il corso. Le lezioni teoriche sono finalizzate all’introduzione dei principi termodinamici, fluidodinamici e operativi che governano le macchine termiche e idrauliche, con particolare riferimento agli impianti a turbina a gas, agli impianti a vapore, alle turbine idrauliche e ai motori a combustione interna. Particolare attenzione è dedicata ai processi di conversione energetica, alle prestazioni delle macchine, ai metodi di regolazione e al comportamento in condizioni di funzionamento di progetto e fuori progetto. Ciascun argomento teorico è accompagnato da esercitazioni numeriche ed esempi applicativi finalizzati all’applicazione delle metodologie presentate per l’analisi e la valutazione delle prestazioni delle macchine termiche e dei sistemi di conversione energetica. Le esercitazioni hanno l’obiettivo di rafforzare la capacità degli studenti di risolvere problemi ingegneristici e interpretare criticamente i risultati ottenuti. L’insegnamento può inoltre prevedere attività di laboratorio e/o visite tecniche presso impianti industriali o strutture sperimentali, consentendo agli studenti di osservare sistemi reali di conversione energetica e macchine termiche in applicazioni operative.
Structural mechanics
The course is organised through theoretical lectures and classroom exercise sessions covering all the topics presented during the course. The theoretical lectures are aimed at introducing the thermodynamic, fluid-dynamic and operational principles governing thermal and hydraulic machines, with particular reference to gas turbine plants, steam power plants, hydraulic turbines and internal combustion engines. Specific attention is devoted to energy conversion processes, machine performance, regulation methods and operating behaviour under design and off-design conditions. Each theoretical topic is complemented by numerical exercises and application examples aimed at applying the presented methodologies to the analysis and performance evaluation of thermal machines and energy conversion systems. The exercise sessions are intended to strengthen the students’ capability to solve engineering problems and critically interpret the obtained results. The course may also include laboratory activities and/or technical visits to industrial or experimental facilities, allowing students to observe real energy conversion systems and thermal machines operating in practical applications.
Structural mechanics
Si suggerisce agli studenti di frequentare lezioni ed esercitazioni e di utilizzare il materiale didattico e gli appunti forniti dal docente per la preparazione dell’esame, poiché non esiste un unico testo che tratti in modo completo tutti gli argomenti affrontati durante l’insegnamento. Alcuni testi utili per eventuali approfondimenti di specifici argomenti, anche in vista di future attività professionali, sono i seguenti: • 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. • S.A. Korpela, “Principles of Turbomachinery”, Wiley & Sons. • Heywook J., Internal Combustion Engine fundamentals
Structural mechanics
The student is suggested to attend lectures and exercises, to use the notes provided by the teacher for the preparation of the exam, since there is no single text dealings with all the topics covered in the course. Possible books to deepen single topics, when needed, for future professional activity, are the following: • 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. • S.A. Korpela, “Principles of Turbomachinery”, Wiley & Sons. • Heywook J., Internal Combustion Engine fundamentals
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Slides; Video lezioni dell’anno corrente;
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Lecture slides; Video lectures (current year);
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Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;
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Exam: Written test; Optional oral exam;
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-Prova scritta (durata: 1 h e 25 min): la prova è suddivisa in due parti: - La prima parte è composta da 8 domande a risposta multipla da svolgere in 30 minuti. Le domande riguardano gli argomenti teorici del corso, ma alcune richiedono anche la soluzione di brevi esercizi numerici. Ogni risposta corretta assegna 2 punti, ogni risposta non data assegna 0 punti, mentre ogni risposta errata comporta una penalizzazione di -0.5 punti. Per ciascuna domanda è prevista una sola risposta corretta. Il punteggio massimo conseguibile nella prima parte è pari a 16/15. - La seconda parte richiede la soluzione di due esercizi nell’arco di 1 ora, sotto forma di domande aperte/esercizi svolti. Il punteggio massimo conseguibile è pari a 15/15. Per poter accedere alla seconda parte è necessario ottenere un punteggio maggiore o uguale a 8/16 nella prima parte. L’esame non si considera superato se il punteggio ottenuto nella prima parte scritta è strettamente inferiore a 8/15 oppure se il punteggio ottenuto nella seconda parte è strettamente inferiore a 9/15. Il voto finale della prova scritta è dato dalla somma dei punteggi ottenuti nelle due parti. Il punteggio massimo conseguibile nella prova scritta è pari a 26/30. Per ottenere votazioni superiori, lo studente deve sostenere la prova orale. - Prova orale: lo studente discuterà con la commissione i principali argomenti trattati durante il corso e potrà essere richiesto di presentare alcune delle dimostrazioni matematiche illustrate durante le lezioni. La prova orale può determinare un incremento oppure una riduzione del voto ottenuto nella prova scritta. Tutti gli studenti che abbiano conseguito una valutazione sufficiente (≥ 18/30) nella prova scritta possono richiedere di sostenere la prova orale.
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Exam: Written test; Optional oral exam;
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- Written test (duration: 1h 40 m): it is divided into two parts: o The first part is composed by 8 multiple-choice questions to be answered within 30 minutes. The questions are concerned with the theory topics, but a few of them will require the solution of short numerical problems. Each correct answer will score 2 points, each blank (not given) answer will bring 0 points, and each wrong answer will bring -0.5 points. Each question will have only one correct answer. The maximum score for the first part is 16/15. o The second part will require the solution of two exercises within 1.20 hours, in the form of essay questions. The maximum score is 15/15. In order to be admitted to the second part, it is necessary to get a score >= 8/16 from the first part o The exam is not passed if the score from the first written part is strictly lower than 8/15 OR the one from the second part is strictly lower than 8/15. o The final mark of the written test is given by the sum of the two parts. The maximum achievable mark of the written part is 26/30. In order to achieve higher marks, the student has to attend the oral exam. - Oral Test: the student will discuss with the commission about the main topics of the course, and he may be asked to provide some of the mathematical demonstrations shown during the lessons. With the oral test, the student may increase or decrease the mark achieved during the written part of the exam. All the students with a sufficient mark (>=18) may ask the commission to attend the oral test.