Pala de turbina


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Pala de turbina de un motor a reacción Turbo-Union RB199 .

Una pala de turbina es el componente individual que forma la sección de turbina de una turbina de gas o de vapor . Las palas son responsables de extraer energía del gas de alta temperatura y alta presión producido por la cámara de combustión . Las palas de la turbina son a menudo el componente limitante de las turbinas de gas. [1] Para sobrevivir en este entorno difícil, las palas de las turbinas a menudo utilizan materiales exóticos como superaleaciones y muchos métodos diferentes de enfriamiento que pueden clasificarse como enfriamiento interno y externo, [2] [3] [4] y recubrimientos de barrera térmica . Fatiga de la hojaes una fuente importante de fallas en turbinas de vapor y turbinas de gas. La fatiga es causada por la tensión inducida por la vibración y la resonancia dentro del rango operativo de la maquinaria. Para proteger las palas de estas altas tensiones dinámicas, se utilizan amortiguadores de fricción. [5]

Las palas de las turbinas eólicas y las turbinas de agua están diseñadas para operar en diferentes condiciones, que generalmente implican velocidades y temperaturas de rotación más bajas.

Introducción

Diagrama de un motor a reacción de dos bobinas. La turbina de alta presión está conectada por un solo carrete al compresor de alta presión (violeta) y la turbina de baja presión está conectada al compresor de baja presión por un segundo carrete (verde).

En un motor de turbina de gas , una sola sección de turbina está formada por un disco o cubo que sostiene muchas palas de turbina. Esa sección de turbina está conectada a una sección de compresor a través de un eje (o "carrete"), y esa sección de compresor puede ser axial o centrífuga.. El aire se comprime, elevando la presión y la temperatura, a través de las etapas del compresor del motor. Luego, la temperatura aumenta considerablemente por la combustión del combustible dentro de la cámara de combustión, que se encuentra entre las etapas del compresor y las etapas de la turbina. Los gases de escape de alta temperatura y alta presión pasan luego a través de las etapas de la turbina. Las etapas de la turbina extraen energía de este flujo, reducen la presión y la temperatura del aire y transfieren la energía cinética a las etapas del compresor a lo largo del carrete. Este proceso es muy similar al funcionamiento de un compresor axial, solo que a la inversa. [6]

El número de etapas de la turbina varía en los diferentes tipos de motores, siendo los motores de alta relación de derivación los que tienden a tener la mayoría de las etapas de la turbina. [ cita requerida ]El número de etapas de la turbina puede tener un gran efecto en cómo se diseñan las palas de la turbina para cada etapa. Muchos motores de turbina de gas tienen diseños de dos carretes, lo que significa que hay un carrete de alta presión y un carrete de baja presión. Otras turbinas de gas usan tres carretes, agregando un carrete de presión intermedia entre el carrete de alta y baja presión. La turbina de alta presión está expuesta al aire más caliente y de mayor presión, y la turbina de baja presión está sujeta a aire más frío y de menor presión. La diferencia de condiciones lleva al diseño de álabes de turbina de alta y baja presión que son significativamente diferentes en cuanto a materiales y opciones de enfriamiento, aunque los principios aerodinámicos y termodinámicos son los mismos. [7]Bajo estas severas condiciones de operación dentro de las turbinas de gas y vapor, las palas enfrentan altas temperaturas, altas tensiones y vibraciones potencialmente altas. Las palas de las turbinas de vapor son componentes críticos en las centrales eléctricas que convierten el movimiento lineal del vapor de alta temperatura y alta presión que fluye por un gradiente de presión en un movimiento rotatorio del eje de la turbina. [8]

Modos ambientales y de falla

Las palas de la turbina están sujetas a entornos muy extenuantes dentro de una turbina de gas. Se enfrentan a altas temperaturas, altas tensiones y un entorno potencial de alta vibración. Estos tres factores pueden provocar fallas en las palas y potencialmente destruir el motor; por lo tanto, las palas de la turbina se diseñan cuidadosamente para resistir estas condiciones. [9]

Los álabes de turbina están sometidos a estrés de fuerza centrífuga (etapas de turbina pueden girar a decenas de miles de revoluciones por minuto (rpm)) y fuerzas de fluido que pueden causar la fractura , rendimiento , o la fluencia [nb 1] fracasos. Además, la primera etapa (la etapa que sigue directamente a la cámara de combustión) de una turbina de gas moderna enfrenta temperaturas de alrededor de 2.500 ° F (1.370 ° C), [10] por encima de las temperaturas de alrededor de 1.500 ° F (820 ° C) en las primeras turbinas de gas. [11] Los motores a reacción militares modernos, como el Snecma M88 , pueden alcanzar temperaturas de turbina de 2900 ° F (1,590 ° C). [12] Esas altas temperaturas pueden debilitar las cuchillas y hacerlas más susceptibles a fallas por fluencia. Las altas temperaturas también pueden hacer que las hojas sean susceptibles a fallas por corrosión . [8] Finalmente, las vibraciones del motor y la propia turbina pueden causar fallas por fatiga . [9]

Materiales

Un factor limitante clave en los primeros motores a reacción era el rendimiento de los materiales disponibles para la sección caliente (combustor y turbina) del motor. La necesidad de mejores materiales impulsó muchas investigaciones 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. [11] Uno de los primeros fue Nimonic , utilizado en los motores británicos Whittle .

El desarrollo de las superaleaciones en la década de 1940 y los nuevos métodos de procesamiento, como la fusión por inducción al vacío en la década de 1950, aumentaron en gran medida la capacidad de temperatura de las palas de las turbinas. Otros métodos de procesamiento como el prensado isostático en caliente mejoraron las aleaciones utilizadas para las palas de las turbinas y aumentaron el rendimiento de las palas de las turbinas. [11] Las palas de las turbinas modernas a menudo usan superaleaciones a base de níquel que incorporan cromo , cobalto y renio . [9] [13]

Aparte de las mejoras en las aleaciones, un gran avance fue el desarrollo de métodos de producción de solidificación direccional (DS) y monocristal (SC). Estos métodos ayudan a aumentar en gran medida la resistencia contra la fatiga y la fluencia alineando los límites de grano en una dirección (DS) o eliminando los límites de grano por completo (SC). La investigación de SC comenzó en la década de 1960 con Pratt y Whitney y tardó unos 10 años en implementarse. Una de las primeras implementaciones de DS fue con los motores J58 del SR-71 . [11] [14] [15]

Una pala de turbina con revestimiento de barrera térmica.

Otra mejora importante de la tecnología de materiales de palas de turbinas fue el desarrollo de revestimientos de barrera térmica (TBC). Donde los desarrollos de DS y SC mejoraron la resistencia a la fluencia y la fatiga, los TBC mejoraron la resistencia a la corrosión y la oxidación, lo que se convirtió en una preocupación mayor a medida que aumentaban las temperaturas. Los primeros TBC, aplicados en la década de 1970, fueron revestimientos de aluminuro . Los recubrimientos cerámicos mejorados estuvieron disponibles en la década de 1980. Estos recubrimientos aumentaron la capacidad de temperatura de las palas de la turbina en aproximadamente 200 ° F (90 ° C). [11] Los recubrimientos también mejoran la vida útil de las palas, casi duplicando la vida útil de las palas de la turbina en algunos casos. [dieciséis]

La mayoría de las palas de las turbinas se fabrican mediante fundición a la cera perdida (o procesamiento de cera perdida). Este proceso implica hacer un dado negativo preciso de la forma de la hoja que se rellena con cera para formar la forma de la hoja. Si la hoja es hueca (es decir, tiene conductos de enfriamiento internos), se inserta un núcleo de cerámica con la forma del conducto en el medio. La hoja de cera se recubre con un material resistente al calor para hacer un caparazón, y luego ese caparazón se llena con la aleación de la hoja. Este paso puede ser más complicado para materiales DS o SC, pero el proceso es similar. Si hay un núcleo de cerámica en el medio de la hoja, se disuelve en una solución que deja la hoja hueca. Las cuchillas se recubren con un TBC y luego se mecanizan los orificios de enfriamiento. [17]

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 turbinas. [18] La principal ventaja de las CMC sobre las superaleaciones convencionales es su peso ligero y su capacidad para altas temperaturas. Se ha demostrado que los compuestos de 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. [19] GE Aviation demostró con éxito el uso de tales palas compuestas de SiC / SiC para la turbina de baja presión de su motor a reacción F414 . [20] [21]

Lista de materiales de palas de turbina

Nota: Esta lista no incluye todas las aleaciones utilizadas en los álabes de las turbinas. [22] [23]

  • 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. [23]
  • René 77 [23]
  • Rene N5 [24]
  • Rene N6 [24]
  • PWA1484 [24]
  • CMSX-4 [25]
  • CMSX-10 [24]
  • Inconel
    • IN-738 : GE usó IN-738 como material de hoja de primera etapa desde 1971 hasta 1984, cuando fue reemplazado por GTD-111. Ahora se utiliza como material de segunda etapa. Fue diseñado específicamente para turbinas terrestres en lugar de turbinas de gas de aviones. [23]
  • GTD-111 Las palas hechas de GTD-111 solidificado direccionalmente se están utilizando en muchas turbinas de gas de GE Energy en la primera etapa. Las palas hechas de GTD-111 equiaxial se están utilizando en etapas posteriores. [23]
  • 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). Aunque se canceló el programa de HSCT, GE y P&W todavía están considerando el uso de la aleación. [26]
  • Nimonic 80a se utilizó para las palas de la turbina en el Rolls-Royce Nene y de Havilland Ghost
  • Nimonic 90 se utilizó en el Bristol Proteus .
  • Nimonic 105 se utilizó en el Rolls-Royce Spey .
  • Nimonic 263 se utilizó en las cámaras de combustión del Bristol Olympus que se utiliza en el avión supersónico Concorde . [27] [28]
  • La resina termoplástica impresa en 3D para crear palas de turbinas eólicas está en desarrollo en una asociación entre ORNL , NREL y GE Renewable Energy . [29]

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 las palas están sometidas a grandes esfuerzos centrífugos y los materiales son más débiles a altas temperaturas. Por tanto, la refrigeración de las palas de la turbina es fundamental. [30] Los diseños de turbinas modernas actuales funcionan con temperaturas de entrada superiores a 1900 kelvin, lo que se logra enfriando activamente los componentes de la turbina. [2]

Métodos de enfriamiento

Los orificios perforados con láser permiten el enfriamiento de la película en esta paleta guía de boquilla V2500 de primera etapa

El enfriamiento de los componentes se puede lograr mediante enfriamiento por aire o líquido . El enfriamiento por líquido parece ser más atractivo debido a la alta capacidad calorífica específica y las posibilidades de enfriamiento por evaporación, pero puede haber fugas, corrosión, asfixia y otros problemas. que funciona en contra de este método. [30] Por otro lado, el enfriamiento por aire permite que el aire descargado ingrese al flujo principal sin ningún problema. La cantidad de aire necesaria para este propósito es del 1 al 3% del flujo principal y la temperatura de la cuchilla se puede reducir entre 200 y 300 ° C. [30] Hay muchas técnicas de enfriamiento que se utilizan en las palas de las turbinas de gas; convección, película, enfriamiento por transpiración, derrame de enfriamiento, enfriamiento de aleta de pasador, etc., que se incluyen en las categorías de enfriamiento interno y externo. Si bien todos los métodos tienen sus diferencias, todos funcionan utilizando aire más frío (a menudo extraído del compresor) para eliminar el calor de las palas de la turbina. [31]

Refrigeración interna

Refrigeración por convección

Refrigeración de palas por convección

Funciona haciendo pasar aire de refrigeración a través de pasajes internos a la cuchilla. El calor se transfiere por conducción a través de la cuchilla y luego por convección al aire que fluye dentro de la cuchilla. Es deseable una gran superficie interna para este método, por lo que las vías de enfriamiento tienden a ser serpentinas y llenas de pequeñas aletas. Los pasajes internos de la pala pueden tener forma circular o elíptica. El enfriamiento se logra haciendo pasar el aire a través de estos pasajes desde el cubo hacia la punta de la pala. Este aire de refrigeración proviene de un compresor de aire. En el caso de la turbina de gas, el fluido exterior está relativamente caliente, pasa a través del paso de enfriamiento y se mezcla con la corriente principal en la punta de la pala. [31] [32]

Enfriamiento por impacto

Vulneración

Una variación del enfriamiento por convección, enfriamiento por impacto , funciona golpeando la superficie interna de la hoja con aire a alta velocidad. Esto permite que se transfiera más calor por convección que el enfriamiento por convección regular. El enfriamiento por impacto se utiliza en las regiones de mayor carga térmica. En el caso de las palas de la turbina, el borde de ataque tiene la temperatura máxima y, por lo tanto, la carga térmica. El enfriamiento por impacto también se utiliza en la cuerda media de la paleta. Las hojas son huecas con un núcleo. [33] Hay conductos de refrigeración internos. El aire de enfriamiento entra desde la región del borde de ataque y gira hacia el borde de salida. [32]

Refrigeración externa

Enfriamiento de película

Representación de un álabe de turbina con orificios de enfriamiento para el enfriamiento de la película
Enfriamiento de película

El enfriamiento de película (también llamado enfriamiento de película delgada ), un tipo ampliamente utilizado, permite una mayor efectividad de enfriamiento que el enfriamiento por convección o por impacto. [34] Esta técnica consiste en bombear el aire de enfriamiento fuera de la pala a través de múltiples orificios pequeños o ranuras en la estructura. Luego se crea una capa delgada (la película) de aire de enfriamiento en la superficie externa de la cuchilla, lo que reduce la transferencia de calor del flujo principal, cuya temperatura (1300-1800 kelvin ) puede exceder el punto de fusión del material de la cuchilla (1300-1400 Kelvins). [35] [36]La capacidad del sistema de enfriamiento de la película para enfriar la superficie se evalúa típicamente usando un parámetro llamado efectividad de enfriamiento. Una mayor eficacia de enfriamiento (con un valor máximo de uno) indica que la temperatura del material de la cuchilla está más cerca de la temperatura del refrigerante. En lugares donde la temperatura de la cuchilla se acerca a la temperatura del gas caliente, la eficacia de enfriamiento se acerca a cero. La eficacia del enfriamiento se ve afectada principalmente por los parámetros del flujo de refrigerante y la geometría de la inyección. Los parámetros del flujo de refrigerante incluyen las relaciones de velocidad, densidad, soplado y momento que se calculan utilizando las características del flujo principal y del refrigerante. Los parámetros de geometría de inyección consisten en geometría de agujero o ranura (es decir, agujeros o ranuras con forma cilíndrica) y ángulo de inyección. [2] [3]Un programa de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos a principios de la década de 1970 financió el desarrollo de una pala de turbina enfriada por película y por convección, y ese método se ha vuelto común en las palas de turbina modernas. [11] Inyectar la purga del enfriador en el flujo reduce la eficiencia isentrópica de la turbina; la compresión del aire de refrigeración (que no aporta potencia al motor) incurre en una penalización energética; y el circuito de refrigeración añade una complejidad considerable al motor. [37] Todos estos factores deben compensarse con el aumento del rendimiento general (potencia y eficiencia) que permite el aumento de la temperatura de la turbina. [38] En los últimos años, los investigadores han sugerido el uso de un actuador de plasma.para enfriar la película. Roy y Wang propusieron por primera vez el enfriamiento de película de las palas de la turbina mediante el uso de un actuador de plasma de descarga de barrera dieléctrica . [39] Se ha demostrado que un actuador de plasma en forma de herradura, que se coloca cerca de los orificios para el flujo de gas, mejora significativamente la eficacia del enfriamiento de la película. Siguiendo la investigación anterior, informes recientes que utilizan métodos tanto experimentales como numéricos demostraron el efecto de la mejora del enfriamiento en un 15% usando un actuador de plasma. [40] [41] [42]

Derrame refrescante

Enfriamiento por derrame

La superficie de la cuchilla está hecha de material poroso, lo que significa que tiene una gran cantidad de pequeños orificios en la superficie. El aire de enfriamiento se fuerza a través de estos orificios porosos que forman una película o capa límite más fría. Además, este enfriamiento uniforme es causado por la efusión del refrigerante sobre toda la superficie de la cuchilla. [30]

Refrigeración de aleta de pasador

En el borde de salida estrecho, el enfriamiento de la película se usa para mejorar la transferencia de calor desde la cuchilla. Hay una serie de aletas en la superficie de la hoja. La transferencia de calor tiene lugar desde esta matriz y a través de las paredes laterales. A medida que el refrigerante fluye a través de las aletas a alta velocidad, 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 clavija y el espacio entre las aletas son los más importantes. [33]

Refrigeración por transpiración

Esto es similar al enfriamiento por película en el sentido de que crea una película delgada de aire de enfriamiento en la pala, pero es diferente en que el aire se "filtra" a través de una cubierta porosa en lugar de inyectarse a través de orificios. Este tipo de enfriamiento es efectivo a altas temperaturas ya que cubre uniformemente toda la hoja con aire frío. [32] [43] Las palas enfriadas por transpiración generalmente consisten en un puntal rígido con una cubierta porosa. El aire fluye a través de los canales internos del puntal y luego pasa a través de la carcasa porosa para enfriar la hoja. [44] Al igual que con el enfriamiento de película, el aumento del aire de enfriamiento disminuye la eficiencia de la turbina, por lo tanto, esa disminución debe equilibrarse con un mejor rendimiento de temperatura. [38]

Ver también

  • Combustor
  • Corrosión por alta temperatura
  • Turbina de gas
  • Superaleaciones

Notas

  1. ^ Fluencia es la tendencia de un material sólido a moverse lentamente o deformarse permanentemente bajo la influencia de tensiones. Ocurre como resultado de la exposición a largo plazo a altos niveles de tensión que están por debajo del límite elástico del material. La fluencia es más severa en materiales que están sujetos a calor durante períodos prolongados y cerca del punto de fusión. La fluencia siempre aumenta con la temperatura. De Creep (deformación) .

Referencias

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