IL RAFFREDDAMENTO DELLE PALE DI TURBINA

Presentazione sul tema: "IL RAFFREDDAMENTO DELLE PALE DI TURBINA"— Transcript della presentazione:

1 IL RAFFREDDAMENTO DELLE PALE DI TURBINA

2 PERDITE PER IL RAFFREDDAMENTO DELLE PALE
la necessità di mantenere le pale della turbina a un livello di temperatura inferiore a un limite imposto per la durata dei materiali: impone che la pala stessa subisca un processo di raffreddamento, in genere operato da una frazione dell’aria estratta dal compressore (dal suo scarico o dagli stadi intermedi). Tale frazione di aria non partecipa al processo di combustione ma viene indirizzata ai canali di raffreddamento delle pale statoriche e rotoriche della turbina per poi mescolarsi al flusso principale di gas. Ne consegue un’ulteriore diminuzione di lavoro utile e rendimento, la cui entità è crescente al diminuire della temperatura limite e all’aumentare del numero di stadi della turbina. Infatti, un maggior numero di elementi palettati da raffreddare comporta una maggiore quantità di aria da estrarre dal compressore.

3 Il problema del raffreddamento delle componenti della turbina che sono soggette alle temperature più alte è sicuramente l’aspetto più critico della tecnologia dei turbogas. La camera di combustione ed i primi stadi della turbina sono costantemente esposti a gas combusti ad elevatissima temperatura (nelle macchine più moderne superiore anche a 1400°C). Poiché il valore massimo di temperatura che possono sopportare i materiali più efficienti non è praticamente mai superiore ai 900°C risulta chiaro come sia fondamentale raffreddare in maniera sistematica tutte le componenti che risultino a contatto con i gas caldi. Per la camera di combustione il problema viene risolto grazie all’aria secondaria che ha anche una funzione di raffreddamento delle pareti della zona primaria. Le palette del rotore sono i componenti più critici in quanto oltre a dover resistere alle alte temperature, sono sottoposte a rilevanti sforzi di trazione per le forze centrifughe: in tale situazione i materiali metallici iniziano (ancor prima di fondere) ad indebolirsi rispetto alle sollecitazioni meccaniche periferiche a causa di un fenomeno di scorrimento viscoso detto creep. Se si considera che una moderna turbina gas raggiunge velocità periferiche di rotazione dell’ordine dei 400 m/s, questo provoca accelerazioni centrifughe di g. Una paletta dal peso di 2 kg, ad esempio, si troverebbe soggetta ad una forza centrifuga di quasi 40 tonnellate; ancor prima di fondere una paletta rotorica tenderebbe a rompersi indebolita nella sua struttura dalle alte temperature e quindi non più in grado di resistere alle forze meccaniche esterne.

4 Tecnologie utilizzate per il raffreddamento
Nella costruzione delle palettature vengono usati materiali particolarmente pregiati quali leghe di Nichel (rotore) e Cobalto (statore); si utilizzano inoltre tecniche metallurgiche avanzate come: • la solidificazione direzionale • le strutture monocristallo Con questo tipo di realizzazione i materiali possono sopportare temperature che si aggirano sull’ordine degli °C. Per aumentare ulteriormente la resistenza ad alte temperature le palette possono essere trattate con la deposizione superficiale di materiali ceramici utilizzati come barriera protettiva. Comunque, nessuna turbina moderna sarebbe in grado di funzionare se le palettature statoriche e rotoriche non venissero raffreddate efficacemente per mezzo di un fluido più freddo.

5 Convettivo: semplice raffreddamento per convezione a circuito chiuso con il fluido
refrigerante che tende a lambire la superficie interna delle palette. • Per impingement: letteralmente ‘per urto’, si tratta di un raffreddamento per convezione forzata adottato per i punti più critici. L’aria invece di lambire la parete, viene di fatto ‘sparata’ contro la superficie interna, facendola passare attraverso una serie di fori direzionati ad hoc e ricavati in un lamierino interno alla cavità della pala. In questo modo il coefficiente di scambio termico convettivo risulta notevolmente incrementato. • A film: parte del refrigerante viene fatta fuoriuscire dalla palettatura allo scopo di creare una film che costituisce una barriera termica tra il metallo ed i gas combusti. Di fatto il raffreddamento risulta a circuito aperto. Il processo di miscelamento tra il refrigerante e il flusso esterno ne riduce l’efficienza mano a mano che ci si allontana dal punto di iniezione • A film esteso: analogo al precedente, si differenzia per la presenza di fori per mezzo dei quali viene diffusa l’aria di raffreddamento che risulteranno essere piccoli e diffusi su tutta la superficie della pala. In questo modo oltre a proteggere la superficie esterna tramite una barriera termica viene incrementata notevolmente la superficie di scambio tra l’aria e il metallo. • Per traspirazione: il passaggio dell’aria attraverso la parete non è più ottenuto tramite la creazione di piccoli fori, ma è garantita direttamente dalla struttura del materiale da cui questa è composta che risulterà, di fatto, poroso. In questo modo l’efficienza di raffreddamento sarà massima poiché praticamente ogni punto della palettatura risulterà a contatto con l’aria.

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7 Scambio termico convettivo
In generale, la temperatura in ogni punto della pala deve essere sempre inferiore alla Tmax sopportabile dal materiale: Tb < Tbmx (1) Tra la parete ext della pala (Tb) e il flusso dei gas (Tg) deve esistere un flusso termico f: f = K (Tg –Tb) che soddisfi la (1) Coeff. Scambio convettivo

8 Il circuito di raffreddamento può essere: • chiuso • aperto
circuito chiuso : l’aria di raffreddamento non viene reiniettata nella turbina, ma vien fatta passare attraverso una serie opportuna di canalizzazione nell’interno delle palette; circuito aperto: il refrigerante, dopo aver assorbito calore, è scaricato nel flusso principale dei gas e partecipa all’espansione tramite una serie di piccoli forellini disposti su tutta la superficie della pala. L’aria è prelevata dal compressore a pressioni opportune e poi viene fatta fluire nei canali interni alla pala

9 La pala raffreddata è come uno scambiatore di calore:
Il flusso termico f deve vincere le tre resistenze termiche : Convezione gas-parete; Conduzione nello spessore della parete; Convezione parete-refrigerante Tg Lato aria fredda Tb Lato gas caldo Tbi Conducibilità termica materiale Tr f = Kg (Tg –Tb) = Kr (Tbi –Tr) = l/t (Tb –Tbi) t

10 f = Kg (Tg –Tb) = Kr (Tbi –Tr) = l/t (Tb –Tbi)
Se considero la potenza termica richiesta per una certa superficie A: F = ∫ f dA = mr cp,r (Tr,out –Tr,in) Si può calcolare la portata di refrigerante necessaria per avere la (1) Per soluzioni semplificate è utile l’EFFICACIA DEL RAFFREDDAMENTO: er = (Tr,out –Tr,in)/(Tbi – Tr,in) i valori tipici per configurazioni sofisticate sono 0.7 – 0.8 I flussi termici scambiati sono elevati (1 MW/m2) per cui la portata di refrigerante è circa il 20-25% del flusso principale

11 Per limitare tale portata di aria refrigerante bisogna:
1. Limitare le superfici da raffreddare (ossia ridurre gli stadi di turbina) ->alto carico aerodinamico alto sulle palette 2.Ottenere e massimo (condotti di raffreddamento sofisticati, migliorare scambio) 3. Ridurre spessore pale 4. Abbassare la T dell’aria refrigerante con scambiatori

12 Raffreddamento a film Consiste nel creare un film di refrigerante che sia da barriera termica tra i gas caldi e la parete metallica = K (Taw –Tb) Dove Taw = temperatura della parete adiabatica

13 Raffreddamento a impigement
Si usa un getto ad alta velocità che colpisce la parete calda: l’effetto locale è efficace ma il consumo d’aria elevato La parete della pala è un mezzo poroso in cui il refrigerante traspira portandosi alla stessa temperatura della parete esposta ai gas caldi. Raffreddamento per traspirazione

14 Pale raffreddate a film

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16 Statore raffreddato a film

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19 Schema del circuito di raffreddamento
I punti di espansione nel ciclo sono più di uno: nel 1° statore • nel 1° rotore • nel 2° statore • nel 2° rotore Un circuito di raffreddamento di questo tipo fa sì che per buona parte dell’espansione in turbina ci sia un continuo miscelamento tra i gas combusti e l’aria di raffreddamento. Questo oltre a generare delle perdite dovute alle irreversibilità del processo, modifica in maniera sensibile l’andamento del ciclo sul piano.

20 1. la temperatura T3* che viene raggiunta a valle del combustore è più alta dalla temperatura T3 (TIT) di ingresso in turbina data dalla miscelazione tra i gas combusti e la prima iniezione di refrigerante 2. la linea effettiva di espansione imposta dal miscelamento con il refrigerante è molto diversa da quella di una espansione non raffreddata T3* TIT

21 Perdite di carico nel ciclo reale raffreddato

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25 mr il bilancio delle portate viene modificato dal raffreddamento Si suppone che l’aria venga spillata al termine della compressione e reiniettata all’ingresso della turbina. la portata d’aria è funzione della TIT che si vuole mantenere. α(1+mr) α(1+mr)+1 le portate di raffreddamento vanno decrescendo con la temperatura raggiunta dai gas in un determinato stadio

26 Scrivendo il bilancio all’albero si può esplicitare l’importanza di mr e come questi influenzi il valore del lavoro specifico prodotto dalla turbomacchina. • aumenta il lavoro richiesto dal compressore in fase di compressione abbassando conseguentemente il lavoro specifico • nel passaggio dal compressore alla turbina è soggetta a perdite di carico aggiuntive • iniettata in turbina a partire dai primi stadi riduce il lavoro di espansione in turbina • causa delle perdite fluidodinamiche aggiuntive a causa del processo di miscelamento con il flusso principale