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 >>>

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 >>>

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 >>>

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 >>>