RICERCA ITALIANA     

Problematiche di raffreddamento nel bordo d'uscita delle palettature di turbina a gas ad alta temperatura

Università degli Studi di Firenze

Abstract

Lo sviluppo delle turbine a gas negli ultimi decenni ha portato alla realizzazione, sia di motori aeronautici più leggeri ed efficienti,che di sistemi energetici prossimi al 60% di rendimento. L'incremento delle temperature massime di ciclo rappresenta uno degli elementi fondamentali di questo sviluppo ed è stato reso possibile dal perfezionamento delle tecniche metallurgiche e, soprattutto, dall'introduzione e dal progressivo miglioramento dei sistemi di raffreddamento palare. Il progetto di ricerca si rivolge alle problematiche di raffreddamento del bordo di uscita delle pale di turbina, che risulta particolarmente critico, sia per la progettazione ottimale della fluidodinamica del profilo, che per il raffreddamento di una zona così sottile e soggetta a danneggiamento. Infatti è forte l'esigenza di realizzare bordi di uscita molto sottili per limitare le perdite aerodinamiche, influenzate anche dal miscelamento del fluido di raffreddamento con la corrente principale. Tutto questo risulta ancora più critico nelle palettature rotoriche. Nella pratica si ricorre spesso alla combinazione di sistemi di raffreddamento interno ad alta efficienza con sistemi di protezione a film, conciliando le diverse esigenze progettuali. Gli studi di ricerca di base forniscono informazioni utili alla progettazione dei canali interni di raffreddamento, ma non chiariscono gli effetti dovuti all'adozione di geometrie specifiche e alla presenza del campo di forze centrifughe nei rotori. Anche il comportamento del film cooling, nell'applicazione reale è soggetto ad aggiustamenti specifici per incrementarne l'efficacia e difficile risulta la valutazione dell'interazione fra fluido di raffreddamento e aerodinamica del profilo.La ricerca sarà indirizzata, quindi, verso lo studio delle problematiche di raffreddamento del bordo d'uscita e delle relative interazioni tra flusso principale e refrigerante. L'indagine sarà condotta sui fenomeni di scambio termico e interazione aerodinamica su modelli semplificati in condizioni fisse e poi rotanti per lo studio dei flussi interni, mentre si valuteranno le caratteristiche del film cooling su schiera lineare e su schiera anulare in turbina bistadio. L'obiettivo sarà quello di valutare le prestazioni del sistema di raffreddamento e l'interazione del medesimo con la fluidodinamica dell'espansione nella turbomacchina. La ricerca si articolerà: nello studio del raffreddamento interno su modelli statici e attraverso l'impiego di un banco prova rotante - nella valutazione del film cooling in schiera lineare per ricercare configurazioni ottimali delle geometrie di iniezione nella zona del bordo di uscita, valutando anche le interazioni con flusso ad alto Mach - nello studio delle problematiche di miscelazione del fluido di raffreddamento nelle schiere di una turbina bistadio. Tutta la ricerca si baserà sia su studi sperimentali, che su specifiche attività di simulazione numerica CFD, in modo tale da portare ad una efficace validazione sperimentale dei codici di calcolo. L'incremento delle conoscenze e degli strumenti progettuali nel settore specifico del raffreddamento del bordo di uscita di palettature ad alta temperatura rappresenta l'obiettivo della ricerca. Il carattere integrato della stessa consentirà di valutare le problematiche di raffreddamento del bordo di uscita del profilo assieme alle esigenze di progettazione aerodinamico del medesimo e della relativa schiera. Sarà previsto un collegamento con la realtà industriale nazionale nella fase di definizione delle geometrie e delle condizioni di studio e, successivamente, nell'individuazione delle configurazioni ottimali dei sistemi di raffreddamento. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Bruno Facchini Università degli Studi di FIRENZE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Lo sviluppo delle turbine a gas, sia in campo industriale che aeronautico, ha subito, negli ultimi decenni, accelerazioni non paragonabili a quelle di altri motori primi, basati sull'impiego di combustibili fossili. Tale sviluppo ha consentito il raggiungimento:delle migliori prestazioni in termini di conversione dell'energia (efficienze prossime al 60 % nei cicli combinati), di elevatissimi lavori specifici, con riduzioni drastiche del numero dei componenti e del peso dei motori aeronautici, di emissioni inquinanti molto più basse di qualsiasi altro sistema energetico basato sulla combustione.
Uno degli elementi chiave per tali successi è sicuramente stato il costante, ed ancora non concluso, innalzamento delle temperature massime di ciclo. Tale innalzamento è stato reso possibile dal forte progresso tecnologico, frutto di una intensa attività di ricerca sviluppata, spesso, in stretta collaborazione fra industria e mondo universitario. Il progresso tecnologico ha riguardato sia il perfezionamento delle tecniche metallurgiche e la ricerca di nuovi materiali, sia, soprattutto l'introduzione ed il progressivo miglioramento dei sistemi di raffreddamento palare. Più che in altri settori, tale attività di ricerca, con tutto quello che ne consegue in termini di conoscenza e capacità di sviluppo, è stata appannaggio del mondo universitario nord-americano ed inglese; è sufficiente infatti analizzare la letteratura scientifica del settore per rendersi conto, allo stesso tempo, come sia estesa e, come marginale e poco significativa, sia la presenza della ricerca italiana. Tutto questo a fronte di una realtà industriale a livello italiano, tutt'altro che trascurabile, che vede almeno un polo significativo di progettazione e sviluppo nel campo dei motori aeronautici e due realtà distinte nel campo industriale. Diventa quindi basilare dotare il mondo universitario italiano di conoscenze specifiche in questo settore, così da evitare che tutto il sistema nel suo complesso rimanga tagliato fuori da un così importante e strategico settore industriale.
Il progetto di ricerca in oggetto si svilupperà riguardo ad un particolare aspetto del raffreddamento delle pale di turbina, non è infatti possibile sulla base delle attuali conoscenze e del livello di specializzazione raggiunto nel settore, proporre una significativa ricerca con obiettivi molto ampi e diversificati. Compatibilmente con le dimensioni caratteristiche dei progetti di ricerca di interesse nazionale risulterebbe infatti impossibile raggiungere risultati significativamente rilevanti. La ricerca sarà indirizzata, quindi, allo studio del raffreddamento di una zona particolare della palettatura, quella del bordo di uscita. Questa risulta particolarmente critica per un duplice aspetto: la progettazione ottimale della fluidodinamica del profilo richiede bordi di uscita di spessore molto contenuto, in queste condizioni lo sviluppo di un sistema di raffreddamento risulta particolarmente critico, infatti si riducono gli spazi interni al profilo, mentre la superficie a contatto con i gas caldi resta inalterata. Quindi le prestazioni richieste al sistema di raffreddamento in questa zona sono particolarmente critiche per i limitati ingombri richiesti e per l'assoluta necessità di controllare adeguatamente la temperatura della coda, una delle parti della palettatura più soggetta a danneggiamenti.
Nella pratica si ricorre spesso alla combinazione di sistemi di raffreddamento interno ad alta efficienza, basati su canali ad elevata superficie bagnata e dotati di turbolatori di varia natura, con sistemi di protezione a film per la parte finale della coda, ottenendo così un buon compromesso fra le diverse esigenze progettuali. Gli studi di ricerca di base consentono generalmente di ben predire il comportamento dei sistemi di raffreddamento basati su turbolatori, tuttavia la progettazione di un reale dispositivo spesso ricorre alla combinazione di diverse tecniche, giungendo alla definizione di una geometria composita, che si sviluppa all'interno di un canale convergente (nella zona del bordo di uscita); la situazione è resa inoltre più complessa dall'applicazione del sistema di raffreddamento sulla pala rotorica, dove la presenza del campo di forze centrifughe, costringe il progettista alla definizione di un sistema caratterizzato da flussi fortemente 3D, difficilmente riconducibili alle correlazioni base. Anche il comportamento del film cooling, nell'applicazione reale è soggetto ad aggiustamenti specifici per incrementarne l'efficacia. Inoltre il film cooling generato in corrispondenza del bordo d'uscita tenderà ad interagire in maniera significativa con la fluidodinamica dell'espansione in una zona particolarmente critica come quella del passaggio da schiera rotante a fissa e viceversa.
Nel complesso quindi l'indagine sarà indirizzata verso configurazioni a sviluppo radiale, indispensabili nelle palettature rotoriche, in modo da presentare maggiori caratteri di innovazione ed offrire le migliori possibilità di portare un contributo significativo, in termini di conoscenza, a livello internazionale, e di incremento di capacità del sistema di ricerca, a livello nazionale.
La ricerca si prefiggerà quindi di indagare i fenomeni di scambio termico ed aerodinamici, sia tramite modelli in condizioni statiche, sia su configurazioni rotanti, con l'obiettivo di valutare le prestazioni del sistema di raffreddamento e l'interazione del medesimo con la fluidodinamica dell'espansione negli stadi della turbomacchina.
Si potranno così raggiungere diverse tipologie di obiettivo quali:
- la messa a punto di attrezzature sperimentali innovative
- la definizione di criteri per la definizione di sistemi di raffreddamento adeguati ed efficienti per la specifica applicazione studiata
- la messa a punto e la validazione di sistemi di simulazione e progettazione. <<<

Risultati parziali attesi

Lo sviluppo delle turbine a gas, sia in campo industriale che aeronautico, ha subito, negli ultimi decenni, accelerazioni non paragonabili a quelle di altri motori primi, basati sull'impiego di combustibili fossili. Uno degli elementi chiave per tali successi è sicuramente stato il costante, ed ancora non concluso, innalzamento delle temperature massime di ciclo. Tale innalzamento è stato reso possibile dal forte progresso tecnologico, frutto di una intensa attività di ricerca sviluppata, spesso, in stretta collaborazione fra industria e mondo universitario. Il progresso tecnologico ha riguardato sia il perfezionamento delle tecniche metallurgiche e la ricerca di nuovi materiali, sia, soprattutto l'introduzione ed il progressivo miglioramento dei sistemi di raffreddamento palare.
Il progetto di ricerca in oggetto si svilupperà riguardo ad un particolare aspetto del raffreddamento delle pale di turbina allo studio cioè del raffreddamento di una zona particolare della palettatura, quella del bordo di uscita. Questa risulta particolarmente critica per la duplice esigenza di una progettazione ottimale della fluidodinamica del profilo, che richiede bordi di uscita di spessore molto contenuto, e per l'assoluta necessità di controllare adeguatamente la temperatura della coda, una delle parti della palettatura più soggetta a danneggiamenti.
Nel complesso quindi l'indagine consentirà di ottenere informazioni su sistemi di raffreddamento con configurazioni a sviluppo radiale, indispensabili nelle palettature rotoriche, presentando così maggior carattere di innovazione ed offrendo le migliori possibilità di portare un contributo significativo, in termini di conoscenza, a livello internazionale, e di incremento di capacità del sistema di ricerca, a livello nazionale.
La ricerca otterrà risultati significativi sia sui fenomeni di scambio termico che aerodinamici, attraverso la messa punto di indagini sperimentali sia in condizioni statiche, sia su configurazioni rotanti, con l'obiettivo di valutare le prestazioni del sistema di raffreddamento e l'interazione del medesimo con la fluidodinamica dell'espansione negli stadi della turbomacchina.
La ricerca permetterà il raggiungimento di risultati significativi, che porteranno ad un interessante contributo a livello internazionale il cui scenario è attualmente dominato dal mondo universitario nord-americano ed inglese; permettendo alle nostre università di dare un contributo significativo allo sviluppo di un settore di ricerca così vitale.
In particolare lo studio dettagliato delle fenomenologie di scambio termico così come l’impiego di banchi rotanti e lo studio delle interazioni fra sistemi di raffreddamento e aerodinamica delle schiere di turbina, rappresentano elementi in linea con le più innovative tendenze di ricerca del settore.
Tali risultati potranno poi di fatto consolidare la conoscenza delle università italiane in un settore nel quale la realtà industriale a livello italiano, risulta tutt'altro che trascurabile; infatti si possono individuare almeno un polo significativo di progettazione e sviluppo nel campo dei motori aeronautici e due realtà distinte nel campo industriale. Uno dei risultati della ricerca sarà quindi quello di individuare i criteri per la definizione di sistemi di raffreddamento adeguati ed efficienti per la zona del bordo di uscita della palettatura. Sulla base di questi risultati si potranno quindi sviluppare, successivamente, specifiche attività di ricerca finanziate dall’industria per le necessarie applicazioni industriali legate alla innovazione dei prodotti.
Il potenziamento di tale settore della ricerca nell’università italiana, costituisce inoltre un importante elemento per l’inserimento nell’ambito europeo della ricerca, dove negli ultimi dieci anni si sono visti ingenti investimenti, soprattutto nell’ambito dello sviluppo di motori aeronautici più affidabili, economici e con ridotte emissioni ambientali <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'incremento di prestazioni, in termini di rendimento e affidabilità, è da sempre l'obiettivo principale dei costruttori di turbine a gas.Negli ultimi anni si è assistito ad un sempre crescente utilizzo di questi motori anche nel settore della produzione di energia sia elettrica che meccanica [1-I]. L'aumento di prestazioni in questa macchina è strettamente legato all'aumento del rapporto di compressione e della temperatura massima di ciclo [2-I]. Tali incrementi non sono compatibili con le caratteristiche dei materiali metallici impiegati nella costruzione delle palettature e con le relative tecniche di fusione e lavorazione, nonostante i forti progressi registrati anche in questo settore nel corso degli ultimi trent'anni [3-I]. Lo sviluppo delle tecniche di raffreddamento e la loro applicazione alle palettature di turbina rappresenta quindi uno degli elementi più determinanti per lo sviluppo tecnologico della turbina a gas. La progettazione dei sistemi di raffreddamento si basa sull'uso di correlazioni di dati sperimentali interpretati in base a modelli fisici, che consentono di predire le prestazioni delle diverse tecniche impiegate [2-I]. Tali informazioni sono riferite a geometrie standard sperimentate in condizioni di similitudine [3-I]. Si presenta quindi la necessità di valutare le prestazioni di dispositivi di raffreddamento, caratterizzati da geometrie molto diverse da quelle sperimentate e/o in presenza di condizioni di flusso non uniformi, da qui nasce la continua esigenza di incrementare il bagaglio di conoscenze specifiche per migliorare le prestazioni dei sistemi di raffreddamento. La progettazione del sistema di raffreddamento non può inoltre risultare indipendente da quella aerodinamica delle schiere palari. Nelle moderne turbine transoniche fortemente caricate le perdite aerodinamiche dei profili sono molto influenzate dallo spessore del bordo d'uscita (trailing edge), dove l'alloggiamento del sistema di raffreddamento può incrementare non poco l'angolo tra la direzione tangente alla suction side e quella tangente alla pressure side della pala. Miglioramenti nelle tecniche di fusione hanno permesso di realizzare trailing edge raffreddati più sottili e quindi più aerodinamici. Una conseguenza di ciò è stata la realizzazione di canali nel trailing edge con elevati aspect ratio e raggi di raccordo grandi rispetto alle altre dimensioni interne, con geometrie quindi lontane da quelle sperimentate in letteratura, rendendo così gli strumenti di progettazione convenzionali non adeguati allo scopo[2-I]. In particolare tali necessità hanno portato all'utilizzo di bordi d'uscita ditipo "cut back" dove il profilo palare sul lato in pressione si interrompe bruscamente per permettere la fuoriuscita di un film protettivo per la parte terminale della coda.
I sistemi di raffreddamento interni per trailing edge presentano pin fin con un rapporto altezza/diametro molto ridotto, tra 0.5 e 4,risulta quindi necessario considerare, oltre al calore asportato dai pin fin stessi, il contributo allo scambio termico dato dalle duesuperfici ortogonali all'asse dei pin che delimitano il canale poiché costituisce buona parte della superficie di scambio. La caratteristica dei pin fin è sostanzialmente quella di ostacolare il passaggio del flusso, incrementandone la turbolenza e quindi favorendo l'asportazione di calore. I primi lavori sperimentali risalgono a Metzger[4-I] e VanFossen[5-I], dove i canali prismatici a sezione costante alloggiano 10 file di pin fin circolari. La tecnica sperimentale utilizzata è di tipo stazionario e permette la misura di un coefficiente di scambio termico (HTC) medio per ogni singola fila. Nel 1986 Metzger[6-I] effettuò alcune misure per valutare gli effetti della convergenza del canale sullo scambio termico. Con il passare degli anni sono state sviluppate nuove tecniche, sempre più precise, per stimare il coefficiente di scambio termico. Una di queste utilizza cristalli liquidi termocromatici quali sensori puntuali di temperatura. Sono state quindi messe a punto due tecniche che sfruttano questa peculiarità: una di tipo stazionario e una di tipo transitorio[7-I]. Wang e al.[8-I], con la tecnica transient hanno effettuato analisi sia su un singolo spinotto che su un array di pin fin con raggio di raccordo. Questa esperienza ha permesso di misurare il coefficiente di scambio termico sull'endwall e visualizzare a parete le strutture vorticose. Hwang e Lui[9-I, 10-I], utilizzando la stessa tecnica, hanno invece analizzato, recentemente, alcune configurazioni di raffreddamento più realistiche studiando canali con elevato angolo di convergenza e con flussi in direzione sia assiale che asso-radiale. Anche a livello nazionale sono stati effettuati studi sperimentali[32-I] su sistemi di raffreddamento per bordo d'uscita che riproducono fedelmente geometrie reali (pin fin e pedestal con fillet radius) utilizzando la tecnica transient con cristalli liquidi affiancata da una specifica ed originale applicazione in grado di valutare separatamente lo scambio termico sui turbolatori. La termografia ad infrarossi è infine un'altra tecnica che viene correntemente utilizzata per effettuare misure di scambio termico; in bibliografia è stata utilizzata soprattutto per lo studio del film cooling[12-I,13-I]. Come per la tecnica con i TLC è possibile realizzare misure di tipo sia stazionario che transitorio; questa tecnica si basa sull'impiego di una telecamera sensibile all'infrarosso che registra la temperatura della superficie in studio; da questa mappa di temperatura è poi possibile risalire alla misura puntuale del coefficiente di scambio termico oppure, nei problemi a tre temperature, dell'effectiveness.
La maggior parte degli studi reperibili in letteratura si riferiscono a modelli statici, mentre in sistemi di riferimento non inerziali tipici dei rotori, si hanno fenomeni diversi, che hanno effetto sia in termini di scambio termico che di distribuzione della portata di raffreddamento all'interno del dispositivo. In letteratura si trovano studi di base effettuati su canali rotanti, lisci[14-I,15-I] e con promotori di turbolenza[16-I,17-I,18-I]. Sono inoltre stati studiati gli effetti della rotazione su sistemi di raffreddamento del leading edge della pala per impingement[19-I], ma non sono presenti studi sugli effetti di un campo di moto rotante su sistemi di raffreddamento specifici per trailing edge.
Le condizioni di flusso generate nei canali di raffreddamento interno, in presenza di geometrie così elaborate, risultano particolarmente complesse; la loro descrizione può risultare peraltro molto utile alla comprensione dei fenomeni che portano ad incrementare HTC consentendo una più mirata attività di sviluppo. In questo senso la visualizzazione del flusso con varie metodologie sperimentali può risultare estremamente interessante, specialmente con quelle tecniche (quali ad esempio la PIV) che consentono di trarre dettagliate indicazioni quantitative. Generalmente i sistemi di raffreddamento interni nella zona del bordo d'uscita sono accoppiati con raffreddamento a film della parte terminale della coda, sempre nell'ottica di ridurre il suo spessore. A partire dallo studio pionieristico di Goldstein et al. [1-II] sul raffreddamento a film, che ha mostrato la presenza, all'interno dei getti di iniezione, di due vortici contro-rotanti (kidney vortex), dovuti all'interazione tra flusso principale e flusso di raffreddamento, molti studi sono stati condotti su modelli semplificati. L'insieme di questi studi ha permesso di chiarire le modalità con cui alcuni parametri influenzano il processo di miscelamento (geometria del sistema di iniezione, rapporti tra portata iniettata e portata principale, tra densità del fluido iniettato e densità del flusso principale, livello di turbolenza, numero di Reynolds, spessore dello strato limite ecc.), con conseguenze sulla struttura del flusso e sulle caratteristiche di scambio termico a valle della zona di iniezione.
Focalizzando l'attenzione sull'eiezione dal bordo d'uscita, non è sufficiente lo studio delle problematiche di raffreddamento interno [32-I], ma anche la valutazione degli effetti che la geometria interna dei canali di raffreddamento ha sulle caratteristiche dell'eiezione di fluido refrigerante dal bordo d'uscita e di conseguenza su struttura della scia e generazione delle perdite. Inoltre il fluido eiettato protegge e raffredda col film la parte terminale del lato in pressione della pala, e per conduzione quello in depressione, dove l'iniezione risulta più complessa e sconsigliata per il pesante effetto sul flusso. E' allora evidente che la progettazione del sistema di raffreddamento del bordo d'uscita deve essere tale da garantire non solo elevati valori di efficacia di raffreddamento a film sul lato in pressione, ma anche alti coefficienti di scambio termico convettivo, in modo da garantire un adeguato raffreddamento anche della parte terminale del lato in depressione. Le configurazioni del bordo d.uscita che consentono la generazione del film cooling si basano sulla realizzazione di slot o file di fori molto ravvicinate nelle pale di dimensioni più elevate, fino a sfociare nella configurazione cut-back (ovvero uno slot tangenziale) nelle pale di dimensioni più contenute. Recentemente sono state analizzate le prestazioni termiche del raffreddamento a film a valle dell'eiezione da un bordo d'uscita tagliato su un modello semplificato su lastra piana [3-II,4-II]. Studi di questo tipo possono fornire utili informazioni, permettendo il collegamento dei risultati ottenuti analizzando i sistemi di raffreddamento interno con quelli relativi al raffreddamento esterno. I test su lastra piana tuttavia non permettono di simulare in modo corretto l'influenza di fattori quali la curvatura e i gradienti di pressione. D'altra parte, la sperimentazione diretta su stadi raffreddati non sempre risulta una via perseguibile, soprattutto nelle fasi iniziali di un progetto in cui sarebbe necessario testare diverse geometrie. In quest'ottica la sperimentazione in galleria del vento su schiere piane può certamente fornire un contributo nell'individuazione dell'influenza dei diversi parametri progettuali e operativi sulle prestazioni delle schiere. I test in galleria del vento su schiere piane, se opportunamente progettati, permettono inoltre di raggiungere un dettaglio decisamente elevato, che consente quindi di indagare in maniera accurata fenomeni complessi in geometrie elaborate. Va tuttavia evidenziato come la ricerca di un'elevata risoluzione spaziale sia possibile solo grazie da un lato all'adozione di modelli in larga scala e dall'altro di condizioni di esercizio spesso lontane dal reale campo di funzionamento delle macchine.
L'indagine di dettaglio del miscelamento tra fluido principale e fluido di raffreddamento, ovunque questo venga iniettato, richiede infatti che lo spessore dello strato limite e/o della scia sia sufficientemente elevato da garantire un numero adeguato di punti di misura, condizione ottenibile solo a bassi numeri di Mach, tipicamente dell'ordine 0.1 - 0.3. E' ovvio che tali condizioni di funzionamento, anche se rispettassero la similitudine di Reynolds, ben difficilmente garantirebbero il rispetto della similitudine di Mach, trascurando totalmente gli effetti della comprimibilità legati alle condizioni di flusso transonico. D'altra parte l'interazione del refrigerante uscente dal trailing edge con flusso principale ad alto Mach è di rilevante interesse e merita un'indagine approfondita. In letteratura sono disponibili studi, condotti in galleria del vento, sugli effetti dell'eiezione dal bordo d'uscita sulle caratteristiche tempo-varianti della scia [5-II,13-III]. Ampiamente documentata è anche l'influenza del raffreddamento a film "full coverage" sulle prestazioni di schiere piane, sia dal punto di vista aerodinamico[7-II,8-II] che dello scambio termico e dell'efficacia di raffreddamento [9-II-14-2]. Più rari sono gli studi riguardanti l'indagine di dettaglio del comportamento dello strato limite e dello scambio termico in presenza di iniezione a film "full coverage" sulla parte terminale dei lati in pressione e depressione [15-II-17-II], mentre estremamente limitati sono studi di dettaglio focalizzati sulle problematiche di raffreddamento esterno del bordo d'uscita in presenza di "cut-back" [16-V], e sull'influenza che queste hanno sulla struttura della scia. A causa della complessità del problema e dei diversi aspetti coinvolti, è necessario prendere in considerazione, oltre alle prestazioni aerodinamiche globali e ai meccanismi di interazione e formazione delle perdite, anche gli aspetti instazionari e l'interazione tra le schiere. Quindi anche lo studio su modelli di turbina dell'interazione fra aria di raffreddamento e flusso principale rimane attuale e prioritario per assicurare che gli incrementi di rendimento del ciclo resi possibili dal miglioramento delle tecniche di raffreddamento non risultino vanificati da un decremento delle prestazioni aerodinamiche delle palettature. La maggior parte delle indagini sperimentali riguarda infatti esperimenti effettuati su schiere piane o anulari [13-III,14-III]. Esperimenti effettuati direttamente su stadi di turbina sono estremamente rari [15-III,16-III]. E' quindi sostanzialmente da indagare approfonditamente quale sia l'effetto dell'interazione fra flusso di raffreddamento e flusso principale in uno stadio di turbina.
Per quanto riguarda l'analisi CFD sia di sistemi di raffreddamento interni che basati sul film-cooling si deve tenere conto delle forti limitazioni poste dai consueti modelli di turbolenza a due equazioni per l'approccio RANS. Nel caso dei flussi interni la complessità delle geometrie in gioco richiede potenze di calcolo molto significative, e, mentre la CFD è divenuta uno strumento standard per lo sviluppo aerodinamico delle turbomacchine, solo recentemente si vedono le prime applicazioni su complessi sottosistemi rappresentanti parti di sistemi di raffreddamento interni [21-I-24-I], le applicazioni riguardano quindi generalmente particolari del sistema di raffreddamento complessivo e richiedono ulteriori approfondimenti per una più diffusa applicazione a livello industriale. In ogni caso la necessità di trattare geometrie complesse e di tipologia assai diversificata limita le applicazioni all'uso dell'approccio RANS, per la soluzione del campo di moto e la stima dello scambio termico. La prospettiva di impiego della CFD in questo settore a livello industriale si lega quindi, per quanto detto all'impiego di codici commerciali e all'uso di modelli di turbolenza standard a due equazioni. Recentemente sono stati pubblicati interessanti studi DES su geometrie di trailing edge con film cooling[24-I]. Tuttavia, soprattutto in termini applicativi, l'approccio CFD RANS, tramite modifiche mirate ai modelli di turbolenza, è comunque molto interessante ed innovativo, soprattutto a fronte di una specifica campagna di taratura e validazione degli strumenti di calcolo. Studi di questo tipo sono disponibili, infatti, solo nella letteratura specializzata degli ultimi anni e si possono trovare ulteriori dettagli in [25-I-27-I]. D'altra parte, se l'utilizzo di simulazioni più accurate (LES, DNS) garantirebbe risultati sicuramente migliori, le risorse di calcolo normalmente disponibili anche nei più moderni centri di ricerca non permettono uno studio diffuso di geometrie applicative.

P.S. I riferimenti bibliografici si riferiscono alle specifiche bibliografie delle unità operative indicate col numero di riferimento nel progetto <<<