AREA TECNICO SCIENTIFICA

29° ciclo

Corso di dottorato in Scienze

dell’ingegneria energetica e ambientale

Aumento dell’efficienza di turbine a gasAnalisi degli effetti di rotazione sul campo di moto dell’aria refrigerante in sistemi di

raffreddamento per il bordo d’attacco delle palette

Motivazione della ricercaLe turbine a gas sono ampiamente impiegate per la produzione dell’energia elettrica e costituiscono praticamente l’unico motore per la propulsione aerea (fig. 1)Per aumentare le prestazioni, durante la loro evoluzione le turbine a gas sono state progettate per poter raggiungere temperature dei gas combusti sempre più elevate. Sfortunatamente, il limite della massima temperatura raggiungibile è imposto dalla resistenza meccanica dei componenti della turbina (e.g. le palette, specialmente rotoriche).Questo problema può essere affrontato in due modi (fig. 2):• Realizzare leghe più resistenti alle alte temperature• Raffreddare i componentiTra le due soluzioni, il raffreddamento ha un impatto (ed un margine di crescita) sulla massima temperatura ammissibile molto più importante. In particolare, la realizzazione di sistemi di raffreddamento sempre più complessi (i.e. più efficienti) è stata possibile solamente grazie ad attività di ricerca specifiche.

a) – Canale a sezione triangolare equilatera: effetti termiciQuesta campagna sperimentale nasce per la necessità di colmare un vuoto presente nella letteratura: gli effetti della rotazione in canali di sezione triangolare. In particolare si è estesa una precedente analisi andando a considerare gli effetti che una distribuzione non uniforme di temperatura (quindi forza centrifuga) ha sul campo di moto dell’aria refrigerante.

I risultati sperimentali [1] hanno evidenziato (fig. 4):• Sostanziale differenza rispetto a quanto noto per la geometria di

riferimento in letteratura (canale di sezione quadrata);• Effetti principali riguardanti l’aumento della turbolenza del flusso;• Elevata complessità del campo di moto.Per completare l’analisi, i risultati sperimentali sono stati utilizzati per validare un modello numerico e quindi ottenere informazioni sullo sviluppo del campo di moto su tutto il canale [2].

dott. Luca Furlani

Prof. Luca Casarsa

Info:

casarsa@uniud.it

Tel. +39 0432 558010

Riconoscimenti

L’attività di ricerca è stata

finanziata dal progetto

PRIN: ‘aerothermal

INvestigation of cooled

Stage turbIne: Design

optimization and

Experimental analysis

[1] Buoyancy effects at high rotation number on

the flow field inside a triangular shaped rib

roughened channel, Furlani L., Armellini A.,

Casarsa C., 11th ETC, Madrid, 2015

[2] Flow field inside a leading edge cooling

channel with turbulence promoters in rotating

conditions, International Journal of Thermal

Sciences, Furlani L., Armellini A., Casarsa C.,

Ravelli* S., Barigozzi* G., (submitted)*Università degli Studi di Bergamo, Dipartimento di Ingegneria e Science Applicate

[3] Rotational effects on the flow field inside a

leading edge impingement cooling passage, ,

Furlani L., Armellini A., Casarsa C., Experimental

Thermal and Fluid Science, 2016

[4] Effect of rotation on a gas turbine blade internal

cooling system: experimental investigation, Furlani

L., Armellini A., Casarsa C., Facchini B.*, Burberi

E.*, Carcasci C.*, Cocchi L.*, Massini D.*, 61°

ASME Turbo EXPO, Seoul, 2016*Università di Firenze, Dipartimento di Ingegneria Industriale

Riferimenti bibliografici

Tecnica sperimentaleLe campagne sperimentali sono state eseguite utilizzando la tecnica di misura Particle Image Velocimetry (PIV) che permette, tramite laser pulsato e telecamere ad elevata sensibilità, di ricostruire il campo di moto tridimensionale con elevata risoluzione.Al Laboratorio di Macchine dell’Università degli Studi di Udine è inoltre possibile effettuare queste misure con la sezione di misura posta in rotazione (i.e. per simulare palettature rotoriche), grazie ad un impianto ed una metodologia di prova di cui pochi altri gruppi di ricerca al mondo possono disporre (fig. 3).

Obiettivi della ricercaVisto quanto considerato sopra, in questo progetto di dottorato l’oggetto principale della ricerca riguarda i sistemi di raffreddamento per il bordo d’attacco delle palette rotoriche delle turbine a gas.In particolare sono state considerate due geometrie:a) Canale a sezione triangolare equilatera con promotori di turbolenzab) Canale a sezione triangolare isoscele con raffreddamento interno a

getti ed estrazione del fluido refrigerante per protezione a film esternob) – Sistema di raffreddamento avanzatoPer ottenere un elevato raffreddamento del bordo d’attacco si utilizzano sistemi sempre più complessi che combinano il raffreddamento interno con getti (i.e. ‘’impingement cooling’’) ed esterno a film.Per poter analizzare il campo di moto in condizioni di funzionamento reali (corretto rapporto di portata refrigerante tra getto e fori di estrazione) è stato sviluppato un impianto apposito per poter garantire le stesse condizioni di distribuzione delle portate in rotazione e non.

L’analisi del campo di moto [3] in combinazione con il campo termico [4] ha mostrato che in questa tipologia di sistema gli effetti della rotazione sono ridotti. In particolare, il getto è principalmente condizionato dalla posizione lungo l’altezza della pala (fig. 5).

Figura 1: Rolls Royce Trent 900, montato sull’A380 Figura 3: impianto di prova per

canali rotanti

Figura 2: soluzioni per aumento temperatura massima

Figura 4: campi di moto e di turbolenza [1] Figura 5: distribuzione velocità getto [3]

Geometrie analizzate

(a) (b)