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Articulo de referencia

Álabes de turbina

Álabes de turbina de un motor a reacción Turbo-Union RB199 . Estos álabes cuentan con una cubierta exterior que impide la fuga de gas alrededor de la punta, evitando así que con...

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Álabes de turbina de un motor a reacción Turbo-Union RB199 . Estos álabes cuentan con una cubierta exterior que impide la fuga de gas alrededor de la punta, evitando así que contribuya a la fuerza sobre el perfil aerodinámico. La plataforma en la base del perfil forma un anillo anular continuo que, junto con el flujo de purga de la cavidad de aire de refrigeración, impide la fuga de gas caliente hacia los discos de la turbina. La corta extensión, o vástago, entre la plataforma y la fijación en forma de árbol de Navidad en el disco permite la entrada de aire de refrigeración al álabe, pudiendo controlar los modos de vibración del mismo y la transferencia de calor al borde del disco. [ 1 ]
En este corte transversal del motor, las palas de la turbina tienen un color dorado.

Un álabe de turbina es un perfil aerodinámico radial montado en el borde de un disco de turbina y que produce una fuerza tangencial que hace girar el rotor de la turbina. [ 2 ] Cada disco de turbina tiene muchos álabes. [ 3 ] Por lo tanto, se utilizan en motores de turbina de gas y turbinas de vapor . Los álabes son responsables de extraer energía del gas a alta temperatura y alta presión producido por la cámara de combustión . Los álabes de turbina suelen ser el componente limitante de las turbinas de gas. [ 4 ] Para sobrevivir en este entorno difícil, los álabes de turbina suelen utilizar materiales exóticos como superaleaciones y muchos métodos diferentes de refrigeración que se pueden clasificar como refrigeración interna y externa, [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] y recubrimientos de barrera térmica . [ 8 ] [ 9 ] La fatiga de los álabes es una causa importante de fallo en las turbinas de vapor y de gas. La fatiga es causada por la tensión inducida por la vibración y la resonancia dentro del rango de funcionamiento de la maquinaria. Para proteger los álabes de estas altas tensiones dinámicas, se utilizan amortiguadores de fricción. [ 10 ]

Las palas de las turbinas eólicas e hidráulicas están diseñadas para funcionar en condiciones diferentes, que normalmente implican velocidades de rotación y temperaturas más bajas.

Introducción

Diagrama de un motor a reacción de doble eje. La turbina de alta presión está conectada mediante un eje al compresor de alta presión para formar un eje, o conjunto giratorio completo (púrpura), y la turbina de baja presión está conectada al compresor de baja presión para formar el otro eje (verde).

En un motor de turbina de gas , una sola etapa de turbina consta de un disco giratorio que sostiene numerosos álabes y un anillo fijo de paletas guía de tobera delante de los álabes. La turbina está conectada a un compresor mediante un eje (el conjunto giratorio completo a veces se denomina "carrete"). El aire se comprime, aumentando su presión y temperatura, al pasar por el compresor. La temperatura aumenta posteriormente por la combustión del combustible dentro de la cámara de combustión, ubicada entre el compresor y la turbina. El gas a alta temperatura y presión pasa entonces a través de la turbina. Las etapas de la turbina extraen energía de este flujo, disminuyendo la presión y la temperatura del gas y transfiriendo la energía cinética al compresor. El funcionamiento de la turbina es similar al del compresor, pero a la inversa, en lo que respecta al intercambio de energía entre el gas y la máquina. Existe una relación directa entre la variación de la temperatura del gas (aumento en el compresor, disminución en la turbina) y la potencia de entrada (compresor) o salida (turbina) del eje. [ 11 ]

Para un motor turbofán, el número de etapas de turbina necesarias para accionar el ventilador aumenta con la relación de derivación [ 12 ], a menos que la velocidad de la turbina pueda incrementarse añadiendo una caja de engranajes entre la turbina y el ventilador, en cuyo caso se requieren menos etapas. [ 13 ] El número de etapas de turbina puede tener un gran efecto en cómo se diseñan los álabes de la turbina para cada etapa. Muchos motores de turbina de gas son de doble eje, lo que significa que hay un eje de alta presión y un eje de baja presión. Otras turbinas de gas utilizan tres ejes, añadiendo un eje de presión intermedia entre el eje de alta y el de baja presión. La turbina de alta presión está expuesta al aire más caliente y a mayor presión, y la turbina de baja presión está sometida a aire más frío y a menor presión. La diferencia en las condiciones lleva al diseño de álabes de turbina de alta y baja presión que son significativamente diferentes en cuanto a materiales y opciones de refrigeración, aunque los principios aerodinámicos y termodinámicos sean los mismos. [ 14 ] Bajo estas severas condiciones de operación dentro de las turbinas de gas y vapor, las palas se enfrentan a altas temperaturas, altas tensiones y vibraciones potencialmente elevadas. Las palas de las turbinas de vapor son componentes críticos en las centrales eléctricas que convierten el movimiento lineal del vapor a alta temperatura y alta presión que fluye a través de un gradiente de presión en un movimiento rotatorio del eje de la turbina. [ 15 ]

Entorno y modos de fallo

Las palas de la turbina están sometidas a entornos muy exigentes dentro de una turbina de gas. Se enfrentan a altas temperaturas, grandes tensiones y un entorno potencialmente de alta vibración. Estos tres factores pueden provocar fallos en las palas, lo que podría destruir el motor; por lo tanto, las palas de la turbina se diseñan cuidadosamente para resistir estas condiciones. [ 16 ]

Las palas de la turbina están sometidas a esfuerzos debido a la fuerza centrífuga (las etapas de la turbina pueden girar a decenas de miles de revoluciones por minuto (RPM)) y a fuerzas del fluido que pueden causar fallas por fractura , fluencia o deslizamiento [ nb 1 ] . Además, la primera etapa (la etapa inmediatamente posterior a la cámara de combustión) de una turbina de gas moderna enfrenta temperaturas alrededor de 2500 °F (1370 °C) [ 17 ] superiores a las temperaturas alrededor de 1500 °F (820 °C) de las primeras turbinas de gas [ 18 ] . Los motores a reacción militares modernos, como el Snecma M88 , pueden alcanzar temperaturas de turbina de 2900 °F (1590 °C) [ 19 ] . Estas altas temperaturas pueden debilitar las palas y hacerlas más susceptibles a fallas por deslizamiento. Las altas temperaturas también pueden hacer que las palas sean susceptibles a fallas por corrosión [ 15 ] . Finalmente, las vibraciones del motor y de la propia turbina pueden causar fallas por fatiga . [ 16 ]      

Las temperaturas más elevadas conducen a una mayor eficiencia del ciclo en una turbina, lo que exige la innovación de materiales que supere continuamente el estándar anterior. Dado que los modos de fallo más comunes en las palas SC y policristalinas son intrínsecamente diferentes, las palas SC, gracias a su ausencia de límites de grano, son ideales para aplicaciones en palas de turbina de primera y segunda etapa. Las palas de turbina suelen estar hechas de superaleaciones de Ni-Cr , que presentan una microestructura única. [ 20 ]

Las superaleaciones monocristalinas (SC) se funden típicamente con la dirección cristalográfica ⟨001⟩ a lo largo del eje del álabe de la turbina, y a menudo con una orientación secundaria controlada, que se ha demostrado ideal para reducir las tensiones localizadas. Su microestructura consiste en precipitados γ′ cúbicos alineados a lo largo de ⟨001⟩ dentro de una matriz γ. Estas aleaciones exhiben propiedades mecánicas anisotrópicas debido a las estructuras FCC de γ y γ′, también conocidas como propiedades ortotrópicas. Estas incluyen propiedades de tracción y fluencia, que también están influenciadas por la temperatura y la composición de la aleación. Esta anisotropía afecta fuertemente la deformación y el daño durante la fatiga termomecánica ( TMF ). [ 20 ] [ 21 ]

Ángulo de fase

  • Para un ciclo TMF en fase (IP), la carga de tracción máxima se produce a la temperatura máxima del ciclo. Por lo tanto, los modos de deformación asociados son la fluencia a alta temperatura en este estado de carga de tracción, que puede intensificarse por la tensión interna y la fuerza centrífuga, incluso a temperaturas moderadas. Por el contrario, las bajas temperaturas corresponden a un estado de compresión caracterizado por plasticidad a baja temperatura, que suele producirse cerca o dentro de los canales de refrigeración diseñados en el álabe. [ 20 ]
  • En ciertas áreas, como la plataforma de la pala, con refrigeración insuficiente, pueden convertirse en “puntos calientes”. En áreas como esta, se puede observar un ciclo TMF fuera de fase (OP). Este se caracteriza por la relajación de la fluencia causada por la tensión de compresión a altas temperaturas y la deformación plástica por la tensión de tracción a bajas temperaturas. Por lo tanto, mientras está en funcionamiento y caliente, el área estará bajo tensión de compresión y experimentará relajación de la fluencia, que se traducirá en tracción al volver a la temperatura ambiente. La formación de óxido a altas temperaturas provoca una baja ductilidad en las aleaciones SC, lo que puede conducir al agrietamiento por tensión de tracción, por lo que las áreas que experimentan OP a menudo tienen vidas útiles más cortas, a pesar de experimentar una tensión promedio y una deformación inelástica menores que las IP. [ 20 ]
  • Al comparar los efectos de IP frente a OP, se observa que la tensión de tracción máxima es el factor que más influye en la vida útil, lo que resulta en una vida útil más corta para OP. [ 20 ]
  • El TMG es un proceso muy dañino, y su vida útil a la fatiga para una superaleación SC en cualquier orientación dada es entre un 70 y un 90 % menor que en condiciones de carga cíclica isotérmica a temperatura máxima. [ 20 ]

Deformación y agrietamiento

  • La deformación en las aleaciones SC tiende a localizarse debido a la falta de límites de grano y la anisotropía del cristal. El maclado por deformación es frecuente en las aleaciones SC, lo que provoca el crecimiento de grietas localizado a lo largo de los maclados, lo que conduce a la falla. Es una de las principales causas de falla por fatiga termomecánica (TMF), especialmente en las aleaciones SC de segunda generación que contienen Re. Sin embargo, en condiciones de gradientes de temperatura o tensión a lo largo de estas bandas de deformación, puede resultar difícil interpretar la mecánica. [ 20 ]

Las trayectorias de las grietas por fatiga en SC se inician con una apertura por tracción de Modo I y posteriormente se propagan por cizallamiento cristalográfico a lo largo de los planos de deslizamiento. Esto se opone al comportamiento del crecimiento de grietas convencional, que sigue el patrón de Etapa I/Etapa II de nucleación de grietas (cizallamiento cristalino) y crecimiento constante (Modo I). [ 20 ]

  • En OP-TMF, las interacciones de oxidación-fatiga y el engrosamiento de γ′ a altas temperaturas son las principales causas de la nucleación de grietas. Las grietas tienden a formarse en puntos con crecimiento de óxido, proceso que se ve exacerbado por las condiciones de carga a alta temperatura, lo que da lugar a grietas planas bien definidas, una característica clave de los materiales frágiles. Se ha observado que se forman cúmulos localizados de placas macladas delante de la punta de la grieta en el plano {1 1 1}, también conocido como maclado por deformación . Esto se debe al movimiento parcial de dislocaciones en el sistema de deslizamiento correspondiente ({1 1 1}<112>). Cuando son lo suficientemente grandes, permiten la propagación de grietas, preferentemente localizada a lo largo de las maclas. [ 20 ]
  • En ausencia de ciclos de temperatura, en la fatiga de bajo ciclo (LCF) , el modo de deformación está dominado por mecanismos basados ​​en la difusión.
  • Si bien la mayor parte de la propagación tiene lugar en la parte de baja temperatura del ciclo OP-TMF, la alta temperatura y el estado de compresión son responsables del daño causado por la disolución y recristalización de la fase γ′ en la punta de la grieta. El estudio del cierre de grietas muestra que la velocidad de crecimiento de la grieta es independiente de la temperatura máxima del ciclo y del tiempo de permanencia en función del cambio en el factor de intensidad de tensión efectivo (ΔK eff ), lo que indica que la fuerza impulsora para la propagación de la grieta se mitiga por el alivio de tensión en la punta de la grieta como resultado del cierre. [ 20 ]
  • Para IP-TMF, las grietas tienden a formarse en las interfaces débiles. No se observa ninguna diferencia en la velocidad de crecimiento de la grieta en función de ΔK eff , lo que muestra un resultado similar a las condiciones LCF correspondientes. En tiempos de mantenimiento prolongados, una reducción en el cierre del crecimiento de la grieta y un aumento en K dan como resultado el crecimiento de la grieta. Por lo tanto, los ensayos IP-TMF y LCF también se describen mediante la velocidad de crecimiento de la grieta frente a ΔK eff . [ 20 ]
  • En condiciones de tensión controlada, IP tiene la vida a fatiga más corta, seguida de LCF y luego OP. [ 20 ]

Tiempo de permanencia

La adición de un tiempo de mantenimiento de compresión afecta la dirección de propagación de grietas como se observa en OP-TMF. Sin un tiempo de mantenimiento, las grietas se inician en la superficie (en áreas de picos de oxidación) y crecen perpendicularmente a la dirección de la tensión aplicada, antes de crecer a lo largo de las placas gemelas. Al extender el tiempo de mantenimiento más allá de 10 minutos, la grieta crece directamente a lo largo de las placas gemelas hasta la falla. La aplicación de un tiempo de mantenimiento disminuye la vida útil a la fatiga, incluso a altas temperaturas, probablemente como resultado de la relajación de la tensión, el modo de falla, el aumento de la deformación inelástica y la alta tensión media de tracción. [ 20 ] Para IP-TMF, los efectos del tiempo de mantenimiento en la iniciación y propagación de grietas se predicen con precisión mediante un modelo combinado de fatiga y fluencia. [ 20 ]

La anomalía en el límite elástico de la fase γ′ pura describe un estado en el que el material presenta un límite elástico mayor a temperaturas más elevadas. Por lo tanto, las impresionantes propiedades mecánicas de las superaleaciones SC son resultado de la interacción entre la estructura cúbica de las fases γ y γ′. Sin embargo, este estado es inestable, y la formación de balsas como consecuencia de las altas temperaturas y los largos tiempos de permanencia en las pruebas TMF debilita el material, lo que conlleva un límite elástico menor. Este efecto se ve exacerbado por valores más bajos de temperatura mínima en los ciclos TMF. A medida que disminuye el límite elástico, aumenta el rango de deformación inelástica y se forman grietas antes. [ 20 ]

Orientación del cristal

Rigidez

La vida útil de TMF para un rango de deformación dado está determinada por el módulo elástico con respecto a la orientación de la deformación en una prueba TMF controlada por deformación. Para las aleaciones de Ni, la dirección [001] exhibe una rigidez menor, suprimiendo la tensión y correspondiente a una vida útil más larga. Típicamente, la vida útil por fatiga de las diferentes orientaciones cristalinas en la prueba de deformación controlada es más larga en <001>, que muestra un comportamiento de ciclo elástico, seguido de <011> y luego <111>, que muestran deformación plástica. El daño por fluencia es la causa principal de fractura, caracterizado por planos de deslizamiento octaédricos en <001> y <011>, y cúbicos en <111>, lo que puede esperarse para FCC. [ 20 ] Además, debido a la capacidad de la dirección <001> de estar expuesta a TMF, existe la oportunidad de que se desarrolle balsa, en la que la fase de fortalecimiento γ' tiene la oportunidad de coalescer en placas. [ 21 ] Para la carga en <001>, OP-TMF conduce a balsas de tipo P (paralelas a la dirección de carga), e IP-TMF conduce a balsas de tipo N (perpendiculares a la dirección de carga). [ 20 ]

Planos deslizantes

Fatigue life is also impacted by the number of slip planes. For crystallographic orientations with a higher number of active slip planes, the deformation is less localized, improving fatigue life in OP-TMF.[20]

Twinning

Twinning is seen less in <011>-oriented samples in OP-TMF than in <001>[20]

Low cycle fatigue (LCF)

LCF is characterized by high strain applied over a low number of cycles at constant temperature. For <001> and <111> -oriented specimens, cycle softening, or a reduction in failure stress, is observed at high temperatures, due to the dissolution of the γ’ phase, dislocation removal, and precipitates, the creation of dislocations at phase interfaces to relieve stress, and the removal of dislocations via thermally activated mechanisms. In low-strain conditions, in <111>-oriented SC specimens experience cyclic hardening, or the increase in failure stress, as a result of the formation of aligned dislocation arrays in the matrix preventing interactions between dislocations from other slip systems. This reduces the fatigue life of the <111> oriented SC turbine blades.[22]

Fatigue resistance improves with a uniform distribution of secondary γ′ precipitates in the γ matrix. Cracks typically initiate and grow along persistent slip bands (PSBs). However, at high temperatures and strain levels, cracks form earlier due to dislocation entanglement and stress-driven coarsening of γ′ precipitates.[22]

High cycle fatigue

High cycle fatigue (HCF) is the leading cause of SC turbine blade failure, characterized by a high cycle number and a low amplitude stress field, that leads to elastic deformation. There is no difference between fatigue life between <001> or <111> orientations in HCF testing, however, features that concentrate stress, such as holes or notches, can increase the number of endured loading cycles before failure. These stress concentrators cause samples to not display cleavage planes upon fracture, similarly to polycrystalline specimens.[22][23]

En los puntos de inicio de las grietas se forma una zona rugosa con múltiples facetas planas debido a la concentración de tensiones. Cerca de los concentradores de tensión tienden a desarrollarse bandas de deslizamiento, induciendo su formación, mientras que los defectos de fundición generan tensiones de cizallamiento elevadas localizadas, pero con un valor de K inferior al umbral global de la muestra. Las intensas fuerzas de cizallamiento alrededor de estos defectos provocan recristalización y cavitación a altas temperaturas mediante la creación de sitios de nucleación. Además, algunas superaleaciones precipitan estructuras compactas topológicas y precipitaciones de carburos en la zona rugosa, lo que causa la formación de bandas de deslizamiento lejos del área del defecto. Cuando el valor de K de la zona rugosa alcanza el umbral global, se propagan grietas macroscópicas de fatiga de alto ciclo (HCF). [ 22 ]

Fatiga por preocupación

La fatiga por frotamiento suele ser consecuencia de las intensas vibraciones que experimentan las juntas y los discos de las palas de las turbinas durante su funcionamiento, debido a las fuerzas centrífugas y aerodinámicas. Esto provoca concentraciones de tensión que inducen fatiga y, finalmente, fallo por aumento de la nucleación de grietas. Las dislocaciones pueden moverse a través de cualquiera de los 12 planos de deslizamiento en un cristal FCC coherente. A medida que aumenta la temperatura, la densidad de líneas de deslizamiento disminuye con respecto a la orientación cristalográfica. Por lo tanto, la fractura es el modo principal de deformación. [ 22 ]

Materiales

Un factor limitante en los primeros motores a reacción fue el rendimiento de los materiales disponibles para la sección caliente (cámara de combustión y turbina) del motor. La necesidad de mejores materiales impulsó mucha investigación en el campo de las aleaciones y las técnicas de fabricación, y esa investigación dio como resultado una larga lista de nuevos materiales y métodos que hacen posibles las turbinas de gas modernas. [ 18 ] Uno de los primeros de estos fue el Nimonic , utilizado en los motores británicos Whittle .

El desarrollo de superaleaciones en la década de 1940 y nuevos métodos de procesamiento, como la fusión por inducción al vacío en la década de 1950, aumentaron considerablemente la capacidad de temperatura de las palas de turbina. Otros métodos de procesamiento, como el prensado isostático en caliente, mejoraron las aleaciones utilizadas para las palas de turbina y aumentaron su rendimiento. [ 18 ] Las palas de turbina modernas suelen utilizar superaleaciones a base de níquel que incorporan cromo , cobalto y renio . [ 16 ] [ 24 ]

Además de las mejoras en las aleaciones, un avance importante fue el desarrollo de los métodos de solidificación direccional (SD) y de producción de monocristales (MC). Estos métodos ayudan a aumentar considerablemente la resistencia a la fatiga y a la fluencia mediante la alineación de los límites de grano en una dirección (SD) o mediante la eliminación total de los límites de grano (MC). La investigación sobre MC comenzó en la década de 1960 con Pratt & Whitney y tardó unos 10 años en implementarse. Una de las primeras implementaciones de SD se dio en los motores J58 del SR-71 . [ 18 ] [ 25 ] [ 26 ]

Un álabe de turbina con revestimiento de barrera térmica. Este álabe no tiene cubierta en la punta, por lo que las fugas en la punta se controlan mediante la holgura entre la punta y un anillo de cubierta fijo unido a la carcasa de la turbina.

Otra mejora importante en la tecnología de materiales para álabes de turbina fue el desarrollo de recubrimientos de barrera térmica (TBC). Mientras que los desarrollos de DS y SC mejoraron la resistencia a la fluencia y a la fatiga, los TBC mejoraron la resistencia a la corrosión y a la oxidación, ambas de mayor importancia a medida que aumentaban las temperaturas. Los primeros TBC, aplicados en la década de 1970, fueron recubrimientos de aluminuro . En la década de 1980, se dispuso de recubrimientos cerámicos mejorados. Estos recubrimientos aumentaron la capacidad de temperatura de los álabes de turbina en aproximadamente 200  °F (90  °C). [ 18 ] Los recubrimientos también mejoran la vida útil de los álabes, casi duplicándola en algunos casos. [ 27 ]

La mayoría de las palas de turbina se fabrican mediante fundición a la cera perdida. Este proceso consiste en crear un molde negativo preciso con la forma de la pala, que se rellena con cera para darle forma. Si la pala es hueca (es decir, tiene conductos de refrigeración internos), se inserta un núcleo cerámico con la forma de dichos conductos en el centro. La pala de cera se recubre con un material resistente al calor para formar una carcasa, que luego se rellena con la aleación de la pala. Este paso puede ser más complejo para materiales DS o SC, pero el proceso es similar. Si hay un núcleo cerámico en el centro de la pala, este se disuelve en una solución que deja la pala hueca. Las palas se recubren con un TBC y, a continuación, se mecanizan los orificios de refrigeración. [ 28 ]

Los compuestos de matriz cerámica (CMC), donde las fibras están incrustadas en una matriz de cerámica derivada de polímeros , se están desarrollando para su uso en álabes de turbina. [ 29 ] La principal ventaja de los CMC sobre las superaleaciones convencionales es su peso ligero y su capacidad para soportar altas temperaturas. Se ha demostrado que los compuestos SiC/SiC que consisten en una matriz de carburo de silicio reforzada con fibras de carburo de silicio soportan temperaturas de funcionamiento 200°-300  °F más altas que las superaleaciones de níquel. [ 30 ] GE Aviation demostró con éxito el uso de dichos álabes compuestos SiC/SiC para la turbina de baja presión de su motor a reacción F414 . [ 31 ] [ 32 ]

Lista de materiales para las palas de turbina

Nota: Esta lista no incluye todas las aleaciones utilizadas en las palas de las turbinas. [ 33 ] [ 34 ]

  • U-500 Este material se utilizó como material de primera etapa (la etapa más exigente) en la década de 1960, y ahora se utiliza en etapas posteriores, menos exigentes. [ 34 ]
  • René 77 [ 34 ]
  • René N5 [ 35 ]
  • René N6 [ 35 ]
  • PWA1484 [ 35 ]
  • CMSX-4 [ 36 ]
  • CMSX-10 [ 35 ]
  • Inconel
    • IN-738 – GE utilizó IN-738 como material para las palas de la primera etapa desde 1971 hasta 1984, cuando fue reemplazado por GTD-111. Actualmente se utiliza como material para la segunda etapa. Fue diseñado específicamente para turbinas terrestres, no para turbinas de gas de aeronaves. [ 34 ]
  • Las palas GTD-111 fabricadas con GTD-111 solidificado direccionalmente se utilizan en muchas turbinas de gas de GE Energy en la primera etapa. Las palas fabricadas con GTD-111 equiaxial se utilizan en etapas posteriores. [ 34 ]
  • EPM-102 ( MX4 (GE), PWA 1497 (P&W)) es una superaleación monocristalina desarrollada conjuntamente por la NASA, GE Aviation y Pratt & Whitney para el Transporte Civil de Alta Velocidad (HSCT). Si bien el programa HSCT fue cancelado, GE y P&W aún consideran el uso de esta aleación. [ 37 ]
  • El Nimonic 80a se utilizó para las palas de las turbinas de los Rolls-Royce Nene y de Havilland Ghost.
  • En el Bristol Proteus se utilizó Nimonic 90 .
  • El Nimonic 105 se utilizó en el Rolls-Royce Spey .
  • El Nimonic 263 se utilizó en las cámaras de combustión del Bristol Olympus utilizado en el avión supersónico Concorde . [ 38 ] [ 39 ]
  • En el marco de una colaboración entre ORNL , NREL y GE Renewable Energy , se está desarrollando una resina termoplástica impresa en 3D para la fabricación de palas de turbinas eólicas.

Enfriamiento

A una relación de presión constante, la eficiencia térmica del motor aumenta a medida que aumenta la temperatura de entrada de la turbina (TET). Sin embargo, las altas temperaturas pueden dañar la turbina, ya que los álabes están sometidos a grandes esfuerzos centrífugos y los materiales se debilitan a altas temperaturas. Por lo tanto, la refrigeración de los álabes de la turbina es esencial para las primeras etapas, pero dado que la temperatura del gas disminuye en cada etapa, no es necesaria para las etapas posteriores, como en la turbina de baja presión o una turbina de potencia. [ 40 ] Los diseños de turbinas modernas actuales operan con temperaturas de entrada superiores a 1900 kelvin, lo que se logra mediante la refrigeración activa de los componentes de la turbina. [ 5 ]

Métodos de enfriamiento

Los orificios perforados con láser permiten la refrigeración por película en esta paleta guía de la boquilla V2500 de primera etapa .

Las palas de la turbina se enfrían con aire, excepto por el uso limitado de refrigeración por vapor en una central eléctrica de ciclo combinado. La refrigeración por agua se ha probado extensamente, pero nunca se ha introducido. [ 41 ] La turbina de gas de clase "H" de General Electric ha enfriado las palas giratorias y los álabes estáticos con vapor de una turbina de vapor de ciclo combinado, aunque en 2012 se informó que GE volvería a la refrigeración por aire para sus unidades "FlexEfficiency". [ 42 ] La refrigeración líquida parece ser más atractiva debido a la alta capacidad calorífica específica y las posibilidades de refrigeración por evaporación, pero puede haber fugas, corrosión, estrangulamiento y otros problemas que juegan en contra de este método. [ 40 ] Por otro lado, la refrigeración por aire permite que el aire descargado entre en el flujo principal sin ningún problema. La cantidad de aire requerida para este propósito es del 1 al 3 % del flujo principal y la temperatura de la pala se puede reducir en 200 a 300  °C. [ 40 ] Hay muchas técnicas de refrigeración utilizadas en las palas de las turbinas de gas; convección , película, enfriamiento por transpiración, efusión de enfriamiento, enfriamiento por aletas, etc., que se engloban en las categorías de enfriamiento interno y externo. Si bien todos los métodos tienen sus diferencias, todos funcionan utilizando aire más frío tomado del compresor para eliminar el calor de los álabes de la turbina. [ 43 ]

Refrigeración interna

Refrigeración por convección

Refrigeración de las palas por convección

Funciona haciendo pasar aire de refrigeración a través de conductos internos del álabe. [ 44 ] El calor se transfiere por conducción a través del álabe y luego por convección al aire que fluye en su interior. Para este método, es deseable una gran superficie interna, por lo que los conductos de refrigeración tienden a ser serpentinos y estar llenos de pequeñas aletas. Los conductos internos del álabe pueden ser circulares o elípticos. La refrigeración se logra haciendo pasar el aire a través de estos conductos desde el cubo hacia la punta del álabe. Este aire de refrigeración proviene de un compresor de aire. En el caso de una turbina de gas, el fluido exterior está relativamente caliente, pasa a través del conducto de refrigeración y se mezcla con la corriente principal en la punta del álabe. [ 43 ] [ 45 ]

Refrigeración por impacto

Instrucción

Una variante de la refrigeración por convección, la refrigeración por impacto, funciona golpeando la superficie interna del álabe con aire a alta velocidad. Esto permite una mayor transferencia de calor por convección que la refrigeración por convección convencional. La refrigeración por impacto se utiliza en las regiones de mayor carga térmica. En el caso de los álabes de turbina, el borde de ataque presenta la temperatura máxima y, por lo tanto, la mayor carga térmica. La refrigeración por impacto también se utiliza en la cuerda media del álabe. Los álabes son huecos con un núcleo. [ 46 ] Disponen de conductos de refrigeración internos. El aire de refrigeración entra por la región del borde de ataque y gira hacia el borde de salida. [ 45 ]

Refrigeración externa

Refrigeración por película

Representación de un álabe de turbina con orificios de refrigeración para refrigeración por película.
Refrigeración por película

La refrigeración por película (también llamada refrigeración por película delgada ), un tipo ampliamente utilizado, permite una mayor eficacia de refrigeración que la refrigeración por convección y por impacto. [ 47 ] Esta técnica consiste en bombear el aire de refrigeración fuera del álabe a través de múltiples orificios o ranuras pequeñas en la estructura. Luego se crea una capa delgada (la película) de aire de refrigeración en la superficie externa del álabe, reduciendo la transferencia de calor del flujo principal, cuya temperatura (1300–1800 kelvin ) puede superar el punto de fusión del material del álabe (1300–1400 kelvin). [ 48 ] [ 49 ] La capacidad del sistema de refrigeración por película para enfriar la superficie se evalúa típicamente utilizando un parámetro llamado eficacia de refrigeración. Una mayor eficacia de refrigeración (con un valor máximo de uno) indica que la temperatura del material del álabe está más cerca de la temperatura del refrigerante. En los lugares donde la temperatura del álabe se aproxima a la temperatura del gas caliente, la eficacia de refrigeración se aproxima a cero. La eficacia de refrigeración se ve afectada principalmente por los parámetros del flujo del refrigerante y la geometría de inyección. Los parámetros del flujo del refrigerante incluyen la velocidad, la densidad, la inyección y las relaciones de momento, que se calculan utilizando las características del flujo del refrigerante y del flujo principal. Los parámetros de la geometría de inyección consisten en la geometría del orificio o ranura (es decir, orificios o ranuras cilíndricas o con forma) y el ángulo de inyección. [ 5 ] [ 6 ] Un programa de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos a principios de la década de 1970 financió el desarrollo de un álabe de turbina que se enfriaba tanto por película como por convección, y ese método se ha vuelto común en los álabes de turbina modernos. [ 18 ]

La inyección de la purga del enfriador en el flujo reduce la eficiencia isoentrópica de la turbina; la compresión del aire de refrigeración (que no aporta potencia al motor) conlleva una penalización energética; y el circuito de refrigeración añade una complejidad considerable al motor. [ 50 ] Todos estos factores deben compensarse con el aumento del rendimiento general (potencia y eficiencia) que permite el aumento de la temperatura de la turbina. [ 51 ]

En los últimos años, los investigadores han sugerido el uso de actuadores de plasma para la refrigeración por película. La refrigeración por película de álabes de turbina mediante un actuador de plasma de descarga de barrera dieléctrica fue propuesta inicialmente por Roy y Wang. [ 52 ] Se ha demostrado que un actuador de plasma en forma de herradura, ubicado cerca de orificios para el flujo de gas, mejora significativamente la eficacia de la refrigeración por película. Siguiendo investigaciones previas, informes recientes que emplean métodos experimentales y numéricos demostraron un aumento del 15 % en la refrigeración mediante un actuador de plasma. [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]

Efusión de enfriamiento

Enfriamiento por efusión

La superficie del álabe está hecha de material poroso, lo que significa que tiene una gran cantidad de pequeños orificios en la superficie. El aire de refrigeración se fuerza a través de estos orificios porosos, formando una película o capa límite más fría. Además, la difusión del refrigerante sobre toda la superficie del álabe produce una refrigeración uniforme. [ 40 ]

Refrigeración por aletas de pasador

En el borde de salida estrecho, se utiliza refrigeración por película para mejorar la transferencia de calor desde el álabe. Hay una matriz de aletas de pasador en la superficie del álabe. La transferencia de calor se produce desde esta matriz y a través de las paredes laterales. A medida que el refrigerante fluye a alta velocidad a través de las aletas, el flujo se separa y se forman estelas. Muchos factores contribuyen a la tasa de transferencia de calor, entre los cuales el tipo de aleta de pasador y el espaciado entre las aletas son los más importantes. [ 46 ]

Enfriamiento por transpiración

Esto es similar a la refrigeración por película en que crea una película delgada de aire de refrigeración en la pala, pero es diferente en que el aire se "filtra" a través de una carcasa porosa en lugar de inyectarse a través de orificios. Este tipo de refrigeración es eficaz a altas temperaturas, ya que cubre uniformemente toda la pala con aire frío. [ 45 ] [ 56 ] Las palas refrigeradas por transpiración generalmente consisten en un puntal rígido con una carcasa porosa. El aire fluye a través de canales internos del puntal y luego pasa a través de la carcasa porosa para enfriar la pala. [ 57 ] Al igual que con la refrigeración por película, un mayor flujo de aire de refrigeración disminuye la eficiencia de la turbina, por lo que esa disminución debe compensarse con un mejor rendimiento de la temperatura. [ 51 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ La fluencia es la tendencia de un material sólido a moverse o deformarse lentamente de forma permanente bajo la influencia de tensiones. Ocurre como resultado de una exposición prolongada a altos niveles de tensión que están por debajo del límite elástico del material. La fluencia es más severa en materiales que se someten a calor durante largos períodos y cerca del punto de fusión. La fluencia siempre aumenta con la temperatura. De Fluencia (deformación) .

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