Sviluppo di un codice di calcolo per il design preliminare e l’ottimizzazione di un compressore assiale aeronautico compatto

Il presente lavoro riguarda lo sviluppo di un codice di calcolo MATLAB dedicato al design preliminare e all’ottimizzazione di un compressore assiale multistadio per applicazioni aeronautiche. L’obiettivo principale è la creazione di uno strumento che, a partire dai parametri di progetto e requisiti prestazionali, produca il dimensionamento geometrico e cinematico, unitamente a una visualizzazione tridimensionale della macchina. L’ottimizzazione è orientata alla minimizzazione degli ingombri, garantendo il rispetto dei rigorosi vincoli strutturali e aerodinamici tipici delle turbomacchine moderne. L'architettura del codice si articola su due livelli di analisi e ottimizzazione. In primo luogo, vi è l’analisi del ciclo termodinamico Brayton-Joule del motore turbogetto, che permette di scegliere tra due configurazioni: una volta alla minimizzazione del consumo specifico (TSFC) e l’altra alla massimizzazione della spinta specifica per applicazioni militari. I parametri risultanti, quali rapporto di compressione e portata d'aria, sono i driver di un algoritmo di dimensionamento mean-line che opera con le assunzioni di diametro medio e velocità assiale costanti. In questa fase, viene condotta una ricerca sistematica del diametro esterno minimo e della velocità periferica ottimale, vincolando il diametro del mozzo alla resistenza torsionale dell'albero motore. Il cuore del calcolo fluidodinamico è basato su una formulazione stage-by-stage che risolve i triangoli di velocità e trova gli angoli fluidi e costruttivi imponendo un grado di reazione pari a 0.5. Il coefficiente di carico è il risultato di un processo iterativo volto a massimizzare il salto di pressione di ogni stadio nel rispetto dei limiti di stabilità aerodinamica e dei vincoli di comprimibilità governati dal numero di Mach relativo. L’introduzione di uno stadio di Inlet Guide Vanes (IGV) si è rivelata essenziale per ridurre il numero degli stadi; inoltre, l’implementazione di un loop di redistribuzione del carico, tramite un parametro di scalatura, assicura la convergenza del rapporto di compressione effettivo al target con elevata precisione. Un elemento innovativo del lavoro risiede nell'integrazione di una procedura di ottimizzazione multi-obiettivo gestita dall’algoritmo gamultiobj che permette di esplorare lo spazio delle soluzioni per identificare configurazioni che minimizzino il volume totale della macchina, agendo simultaneamente sulle variabili del ciclo e sugli output del calcolo mean-line. Infine, il software integra un modulo per la generazione dei profili palari e la visualizzazione tridimensionale della macchina, fornendo un output completo per le successive fasi di progettazione. In conclusione, il programma sviluppato si configura come uno strumento completo e flessibile, in grado di automatizzare le fasi del progetto preliminare. L’integrazione tra la teoria classica delle turbomacchine e le metodologie di analisi multi-obiettivo consente di individuare le configurazioni ottimali rispetto ai target prestazionali prefissati. Al centro della filosofia del codice vi è la necessità di minimizzare gli ingombri – primariamente attraverso la minimizzazione del diametro esterno e, in fase di ottimizzazione globale, del volume totale della macchina – per rispondere alle esigenze delle moderne applicazioni aeronautiche. Il rigore del modello risiede in primo luogo nell’accuratezza degli output numerici, che descrivono l’evoluzione termo-fluidodinamica lungo la macchina e, successivamente, nella rappresentazione tridimensionale del compressore che fornisce un riscontro visivo dell’architettura generata.