Lama turbina
Con un rapporto di pressione costante, l’efficienza termica del motore aumenta all’aumentare della temperatura di ingresso della turbina (TET). Tuttavia, le alte temperature possono danneggiare la turbina, poiché le pale sono sottoposte a forti sollecitazioni centrifughe e i materiali sono più deboli ad alta temperatura. Quindi, il raffreddamento della lama della turbina è essenziale. Le attuali turbine moderne funzionano con temperature di ingresso superiori a 1900 kelvin, che si ottengono raffreddando attivamente i componenti della turbina.
Metodi di raffreddamentomodifica
Il raffreddamento dei componenti può essere ottenuto mediante raffreddamento ad aria o liquido. Il raffreddamento a liquido sembra essere più attraente a causa dell’elevata capacità termica specifica e delle possibilità di raffreddamento evaporativo, ma possono esserci perdite, corrosione, soffocamento e altri problemi. che funziona contro questo metodo. D’altra parte, il raffreddamento ad aria permette che l’aria scaricata nel flusso principale senza alcun problema. La quantità di aria richiesta per questo scopo è 1-3% del flusso principale e la temperatura della lama può essere ridotta di 200-300 °C. Ci sono molte tecniche di raffreddamento utilizzate nelle pale della turbina a gas; convezione, film, raffreddamento della traspirazione, versamento di raffreddamento, raffreddamento dell’aletta del perno ecc. che rientrano nelle categorie di raffreddamento interno ed esterno. Mentre tutti i metodi hanno le loro differenze, tutti funzionano utilizzando aria più fredda (spesso sanguinato dal compressore) per rimuovere il calore dalle pale della turbina.
Raffreddamento internomodifica
Raffreddamento a convezionemodifica
Funziona facendo passare l’aria di raffreddamento attraverso i passaggi interni alla lama. Il calore viene trasferito per conduzione attraverso la lama e quindi per convezione nell’aria che scorre all’interno della lama. Una grande superficie interna è desiderabile per questo metodo, quindi i percorsi di raffreddamento tendono ad essere serpentini e pieni di piccole pinne. I passaggi interni nella lama possono essere di forma circolare o ellittica. Il raffreddamento si ottiene facendo passare l’aria attraverso questi passaggi dal mozzo verso la punta della lama. Questa aria di raffreddamento proviene da un compressore d’aria. In caso di turbina a gas il fluido esterno è relativamente caldo che passa attraverso il passaggio di raffreddamento e si mescola con il flusso principale sulla punta della lama.
Raffreddamento impingemodifica
Una variazione di raffreddamento a convezione, impingement cooling, funziona colpendo la superficie interna della lama con aria ad alta velocità. Ciò consente di trasferire più calore per convezione rispetto al normale raffreddamento a convezione. Impingement raffreddamento viene utilizzato nelle regioni di maggiori carichi di calore. Nel caso delle pale della turbina, il bordo d’attacco ha la temperatura massima e quindi il carico termico. Il raffreddamento di Impingement inoltre è usato nella corda media della pala. Le lame sono cave con un nucleo. Ci sono passaggi di raffreddamento interni. L’aria di raffreddamento entra dalla regione del bordo d’attacco e gira verso il bordo di uscita.
Raffreddamento esternomodifica
Raffreddamento filmmodifica
Il raffreddamento a film (chiamato anche raffreddamento a film sottile), un tipo ampiamente utilizzato, consente una maggiore efficacia di raffreddamento rispetto al raffreddamento a convezione e a urto. Questa tecnica consiste nel pompare l’aria di raffreddamento dalla lama attraverso più piccoli fori o fessure nella struttura. Un sottile strato (il film) di aria di raffreddamento viene quindi creato sulla superficie esterna della lama, riducendo il trasferimento di calore dal flusso principale, la cui temperatura (1300-1800 kelvin) può superare il punto di fusione del materiale della lama (1300-1400 kelvin). La capacità del sistema di raffreddamento del film di raffreddare la superficie viene in genere valutata utilizzando un parametro chiamato efficacia del raffreddamento. Maggiore efficacia di raffreddamento (con valore massimo di uno) indica che la temperatura del materiale della lama è più vicina alla temperatura del liquido di raffreddamento. Nei luoghi in cui la temperatura della lama si avvicina alla temperatura del gas caldo, l’efficacia del raffreddamento si avvicina a zero. L’efficacia del raffreddamento è influenzata principalmente dai parametri di flusso del refrigerante e dalla geometria di iniezione. I parametri di flusso del refrigerante includono i rapporti di velocità, densità, soffiaggio e quantità di moto calcolati utilizzando le caratteristiche del refrigerante e del flusso principale. I parametri della geometria dell’iniezione consistono della geometria del foro o della scanalatura (cioè fori o scanalature cilindrici e sagomati) e dell’angolo delle iniezioni. Un programma della United States Air Force nei primi anni 1970 ha finanziato lo sviluppo di una lama di turbina che era sia pellicola e convezione raffreddata, e questo metodo è diventato comune nelle pale delle turbine moderne.Iniettare lo spurgo del refrigeratore nel flusso riduce l’efficienza isentropica della turbina; la compressione dell’aria di raffreddamento (che non contribuisce alla potenza del motore) comporta una penalizzazione energetica; e il circuito di raffreddamento aggiunge una notevole complessità al motore. Tutti questi fattori devono essere compensati dall’aumento delle prestazioni complessive (potenza ed efficienza) consentito dall’aumento della turbina temperature.In negli ultimi anni, i ricercatori hanno suggerito di utilizzare attuatore al plasma per il raffreddamento del film. Il raffreddamento del film delle pale della turbina utilizzando un attuatore al plasma a scarica di barriera dielettrica è stato proposto per la prima volta da Roy e Wang. Un attuatore al plasma a forma di ferro di cavallo, che si trova in prossimità di fori per il flusso di gas, ha dimostrato di migliorare significativamente l’efficacia del raffreddamento del film. A seguito della ricerca precedente,recenti rapporti utilizzando metodi sia sperimentali che numerici hanno dimostrato l’effetto del potenziamento del raffreddamento del 15% utilizzando un attuatore al plasma.
Effusione di raffreddamentomodifica
La superficie della lama è fatta di materiale poroso che significa avere un gran numero di piccoli orifizi sulla superficie. L’aria di raffreddamento viene forzata attraverso questi fori porosi che formano un film o uno strato limite più freddo. Oltre a questo raffreddamento uniforme è causato da effusione del refrigerante su tutta la superficie della lama.
Pin fin coolingEdit
Nella stretta pellicola di raffreddamento bordo di uscita viene utilizzato per migliorare il trasferimento di calore dalla lama. C’è una matrice delle alette del perno sulla superficie della lama. Il trasferimento di calore avviene da questa matrice e attraverso le pareti laterali. Quando il refrigerante scorre attraverso le alette con alta velocità, il flusso si separa e si formano le scie. Molti fattori contribuiscono alla velocità di trasferimento del calore tra cui il tipo di pinna pin e la spaziatura tra le pinne sono i più significativi.
Traspiration coolingEdit
Questo è simile al raffreddamento a film in quanto crea un sottile film di aria di raffreddamento sulla lama, ma è diverso in quanto l’aria viene “trapelata” attraverso un guscio poroso piuttosto che iniettata attraverso fori. Questo tipo di raffreddamento è efficace alle alte temperature in quanto copre uniformemente l’intera lama con aria fredda. Le lame raffreddate a traspirazione sono generalmente costituite da un puntone rigido con un guscio poroso. L’aria scorre attraverso i canali interni del puntone e quindi passa attraverso il guscio poroso per raffreddare la lama. Come per il raffreddamento del film, l’aumento dell’aria di raffreddamento diminuisce l’efficienza della turbina, pertanto tale diminuzione deve essere bilanciata con prestazioni di temperatura migliorate.
