Palas de turbina
A una relación de presión constante, la eficiencia térmica del motor aumenta a medida que aumenta la temperatura de entrada de la turbina (TET). Sin embargo, las altas temperaturas pueden dañar la turbina, ya que las palas están sometidas a grandes tensiones centrífugas y los materiales son más débiles a altas temperaturas. Por lo tanto, el enfriamiento de las palas de la turbina es esencial. Los diseños actuales de turbinas modernas funcionan con temperaturas de entrada superiores a 1900 grados kelvin, lo que se logra enfriando activamente los componentes de la turbina.
Métodos de enfriamientoeditar
La refrigeración de los componentes se puede lograr mediante refrigeración por aire o por líquido. La refrigeración líquida parece ser más atractiva debido a la alta capacidad de calor específico y las posibilidades de enfriamiento por evaporación, pero puede haber fugas, corrosión, asfixia y otros problemas. que funciona en contra de este método. Por otro lado, la refrigeración por aire permite que el aire descargado entre en el flujo principal sin ningún problema. La cantidad de aire requerida para este propósito es del 1-3% del flujo principal y la temperatura de la cuchilla se puede reducir en 200-300 °C. Hay muchas técnicas de enfriamiento utilizadas en las cuchillas de las turbinas de gas; convección, película, enfriamiento por transpiración, derrame de enfriamiento, enfriamiento de aletas de pasador, etc. que entran en las categorías de refrigeración interna y externa. Si bien todos los métodos tienen sus diferencias, todos funcionan mediante el uso de aire más frío (a menudo desangrado del compresor) para eliminar el calor de las palas de la turbina.
Enfriamiento internoeditar
Enfriamiento por conveccióneditar
Funciona al pasar aire de refrigeración a través de conductos internos de la cuchilla. El calor se transfiere por conducción a través de la cuchilla y luego por convección al aire que fluye dentro de la cuchilla. Una gran superficie interna es deseable para este método, por lo que las rutas de enfriamiento tienden a ser serpenteantes y llenas de aletas pequeñas. Los pasajes internos de la cuchilla pueden ser de forma circular o elíptica. El enfriamiento se logra pasando el aire a través de estos pasajes desde el cubo hacia la punta de la cuchilla. Este aire de refrigeración proviene de un compresor de aire. En el caso de la turbina de gas, el fluido exterior es relativamente caliente, que pasa por el conducto de enfriamiento y se mezcla con la corriente principal en la punta de la cuchilla.
Enfriamiento por pinzaedItar
Una variación del enfriamiento por convección, el enfriamiento por impacto, funciona golpeando la superficie interna de la cuchilla con aire de alta velocidad. Esto permite que se transfiera más calor por convección que el enfriamiento por convección regular. El enfriamiento por impacto se utiliza en las regiones con mayores cargas de calor. En el caso de las palas de turbina, el borde de ataque tiene la temperatura máxima y, por lo tanto, la carga de calor. El enfriamiento por pinzamiento también se usa en el acorde medio de la paleta. Las cuchillas son huecas con un núcleo. Hay pasajes internos de enfriamiento. El aire de refrigeración entra desde la región del borde de ataque y gira hacia el borde de salida.
Refrigeración exterioreditar
Refrigeración de filmeditar
El enfriamiento de película (también llamado enfriamiento de película delgada), un tipo ampliamente utilizado, permite una mayor efectividad de enfriamiento que el enfriamiento por convección y por impacto. Esta técnica consiste en bombear el aire de refrigeración de la cuchilla a través de múltiples orificios pequeños o ranuras en la estructura. A continuación, se crea una capa delgada (la película) de aire de refrigeración en la superficie externa de la cuchilla, reduciendo la transferencia de calor desde el flujo principal, cuya temperatura (1300-1800 kelvin) puede exceder el punto de fusión del material de la cuchilla (1300-1400 kelvin). La capacidad del sistema de enfriamiento de película para enfriar la superficie se evalúa típicamente usando un parámetro llamado efectividad de enfriamiento. Una mayor eficacia de enfriamiento (con un valor máximo de uno) indica que la temperatura del material de la cuchilla está más cerca de la temperatura del refrigerante. En lugares donde la temperatura de la cuchilla se acerca a la temperatura del gas caliente, la eficacia de enfriamiento se acerca a cero. La eficacia de enfriamiento se ve afectada principalmente por los parámetros de flujo de refrigerante y la geometría de inyección. Los parámetros de flujo del refrigerante incluyen las relaciones de velocidad, densidad, soplado y momento, que se calculan utilizando las características del refrigerante y del flujo principal. Los parámetros de geometría de inyección consisten en geometría de orificio o ranura (es decir, orificios o ranuras cilíndricos, con forma) y ángulo de inyección. Un programa de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos a principios de la década de 1970 financió el desarrollo de una pala de turbina que estaba enfriada por película y convección, y ese método se ha vuelto común en las palas de turbina modernas.Inyectar el purga del enfriador en el flujo reduce la eficiencia del isentrópico de la turbina; la compresión del aire de refrigeración (que no contribuye a la potencia del motor) incurre en una penalización energética; y el circuito de refrigeración agrega una complejidad considerable al motor. Todos estos factores deben compensarse con el aumento del rendimiento general (potencia y eficiencia) permitido por el aumento de la turbina temperature.In en los últimos años, los investigadores han sugerido el uso de un actuador de plasma para enfriar la película. Roy y Wang propusieron por primera vez el enfriamiento de película de palas de turbina mediante el uso de un actuador de plasma de descarga de barrera dieléctrica. Se ha demostrado que un actuador de plasma en forma de herradura, que se coloca cerca de los orificios para el flujo de gas, mejora significativamente la eficacia de enfriamiento de la película. Tras la investigación anterior, informes recientes que utilizaron métodos experimentales y numéricos demostraron el efecto de la mejora de la refrigeración en un 15% utilizando un actuador de plasma.
Efusión de refrigeracióneditar
La superficie de la cuchilla está hecha de material poroso, lo que significa que tiene un gran número de orificios pequeños en la superficie. El aire de refrigeración es forzado a través de estos orificios porosos que forman una película o capa límite más fría. Además, este enfriamiento uniforme es causado por el derrame del refrigerante sobre toda la superficie de la cuchilla.
Enfriamiento de aletas de pasadoreditar
En el borde de salida estrecho, el enfriamiento de la película se utiliza para mejorar la transferencia de calor desde la cuchilla. Hay una serie de aletas de pasador en la superficie de la cuchilla. La transferencia de calor se lleva a cabo desde esta matriz y a través de las paredes laterales. A medida que el refrigerante fluye a través de las aletas con alta velocidad, el flujo se separa y se forman estelas. Muchos factores contribuyen a la tasa de transferencia de calor, entre los que el tipo de aleta de pasador y el espaciado entre las aletas son los más significativos.
Refrigeración por transpiracióneditar
Esto es similar al enfriamiento de película en que crea una fina película de aire de refrigeración en la cuchilla, pero es diferente en que el aire se “filtra” a través de una carcasa porosa en lugar de inyectarse a través de orificios. Este tipo de enfriamiento es efectivo a altas temperaturas, ya que cubre uniformemente toda la cuchilla con aire frío. Las cuchillas refrigeradas por transpiración generalmente consisten en un puntal rígido con una carcasa porosa. El aire fluye a través de los canales internos del puntal y luego pasa a través de la carcasa porosa para enfriar la cuchilla. Al igual que con el enfriamiento de película, el aumento del aire de enfriamiento disminuye la eficiencia de la turbina, por lo tanto, esa disminución debe equilibrarse con un mejor rendimiento de temperatura.
