Diseño constructal de conductos elípticos de refrigeración en álabes de turbinas de gas

Abstract

Las turbinas de gas son máquinas térmicas utilizadas para transformar la energía liberada en la combustión de un hidrocarburo en potencia o trabajo. La parte crítica en el diseño de una TG recae en las secciones expuestas a condiciones mecánicas y térmicas extremas como son los primeros álabes de la turbina. La eficiencia de las TG está limitada por la máxima temperatura que pueden soportar los materiales de los álabes sin ablandamiento o fluencia. En la actualidad, la temperatura máxima de operación se encuentra por encima de la temperatura de ablandamiento del material gracias a técnicas de recubrimientos cerámicos de baja conductividad térmica, Termal Barrier Coating (TBC) y a técnicas de refrigeración de los álabes. La refrigeración interna de los álabes, se realiza por medio de conductos internos por los cuales circula aire proveniente de una extracción desde el compresor, el cual ronda entre 3 a 5 % del caudal principal. Debido a que este aire no es utilizado para generar potencia, es necesario optimizar las técnicas de refrigeración. El presente trabajo mejora el nivel de refrigeración interna de un álabe de TG, mediante la optimización del diseño de los conductos utilizando Teoría Constructal. Se analiza una configuración con 2 conductos elípticos de diferentes geometrías, con el objetivo de optimizar su posición, tamaño y relación de aspecto, logrando obtener la menor temperatura máxima sobre el metal. Las conclusiones generales del trabajo establecen que los requerimientos de máxima eficiencia de evacuación de calor y mínima temperatura sobre el sólido, pueden generar diseños ligeramente diferentes. Sin embargo, ambos indicadores del desempeño térmico se encuentran muy relacionados entre sí, no existiendo una gran variación de un diseño óptimo con respecto al otro, y por ende, tampoco una gran variación en la magnitud de y la entre ambos diseños. El diseño que ofrece la mínima temperatura máxima sobre el metal está compuesto por conductos elípticos achatados de mínima relación de aspecto e igual tamaño, distribuyendo el aire refrigerante en la mayor cantidad de conductos posibles. La aplicación del diseño Constructal a los conductos internos de refrigeración de TG, ha demostrado reducir sensiblemente la temperatura máxima sobre el metal, pudiendo significar una mejora en la vida útil de los álabes.

As turbinas a gás (TG) são máquinas usadas para transformar a energia térmica liberada na combustão de um hidrocarboneto em trabalho. A parte crítica para a concepção das TG encontra-se nas secções expostas a condições mecânicas e térmicas extremas, tais como as primeiras pás da turbina. A eficiência das TG é limitada pela temperatura máxima que podem suportar os materiais das pás sem escoamento ou deformação. Atualmente, a temperatura máxima de operação encontra-se acima da temperatura de escoamento do material, permitido pelo uso de técnicas de revestimentos cerâmicos com uma baixa condutividade térmica, (revestimento de proteção térmica, TBC) e técnicas de arrefecimento das pás. O arrefecimento interno é realizado com canais internos através dos quais escorre ar que é extraído do compressor principal. Como esse ar não é utilizado para gerar trabalho, é necessário otimizar as técnicas de arrefecimento. O presente trabalho melhora o nível de arrefecimento interno de uma pá de TG, através da otimização do desenho dos canais de arrefecimento mediante a utilização da Teoria Constructal. Uma configuração com dois canais elípticos de diferentes geometrias é analisado, com o objetivo de otimizar a sua posição, área e razão de aspecto, procurando gerar uma redução da temperatura máxima no metal. São desenvolvidos quatro modelos com diferentes condições de contorno, incluindo no terceiro modelo a transferência de calor por convecção e radiação e um revestimento de barreira térmica. As conclusões gerais do trabalho estabelecem que os requisitos de máxima eficiência de dissipação de calor e mínima temperatura máxima no metal podem gerar modelos levemente diferentes. No entanto, ambos indicadores do desempenho térmico da pá estão intimamente relacionados, porem, sem grande variação de um design ótimo com relação ao outro, nem uma grande variação nas magnitudes da temperatura máxima ou da eficiência. O design que fornece a mínima temperatura máxima no metal é composto por canais elípticos achatados com a menor razão de aspecto e de igual área, distribuindo o ar de arrefecimento na maior quantidade de canais possíveis. A aplicação do Design Constructal nos canais internos de arrefecimento em TG reduz a temperatura máxima no metal, podendo constituir uma melhoria na vida útil das pás.