Studio CFD del raffreddamento delle pale di una turbina a gas

La ricerca svolta nel corso di questo lavoro di tesi, si è focalizzata sull’ottimizzazione del sistema di raffreddamento del primo stadio di una moderna turbina a gas. Più precisamente si è lavorato sul raffreddamento della schiera statorica, la quale è investita direttamente dal flusso dei gas combusti appena usciti dalla camera di combustione. In particolare è stata studiata, attraverso i nuovi metodi di calcolo numerico della fluidodinamica computazionale (CFD), la tecnica di raffreddamento a film (film cooling) che prevede la creazione, intorno a tutta la superficie della pala che è lambita dai gas combusti, di uno strato aderente d’aria fredda (alla temperatura di fine compressione) che isoli termicamente la pala dal flusso di gas. L’opportunità di un sistema di raffreddamento altamente sofisticato è giustificata dalla necessità di incrementare il più possibile la temperatura massima del ciclo (la T3) al fine di migliorare il rendimento e il lavoro utile del ciclo della turbina a gas, nell’ottica di enorme attualità di riduzione dei consumi energetici.
Nel primo capitolo verrà presentata una panoramica sulle moderne turbine a gas, illustrandone innanzitutto i principi termodinamici che stanno alla base del relativo ciclo di riferimento, quindi le nuove frontiere di sviluppo. Il secondo capitolo è dedicato esclusivamente alla palettatura delle turbine: viene presentato lo stato dell’arte delle pale e dei relativi sistemi di raffreddamento, i materiali, la (complessa) geometria dei canali interni di raffreddamento, l’influenza del raffreddamento sul ciclo termodinamico. Il terzo capitolo è infine dedicato esclusivamente alla simulazione del raffreddamento delle pale, con le tecniche della CFD: si è partiti dalla presentazione dei metodi utilizzati dall’autore per la modellazione delle pale al CAD, quindi si è descritto nel dettaglio come sono state realizzate ancora dall’autore, con l’uso del pacchetto software CAD/CAE Fluent/Gambit, le simulazioni. Si è focalizzata l’attenzione sia sulla generazione della griglia computazionale, illustrandone le caratteristiche e le varie tipologie, che sui modelli fisico-matematici utilizzati e le relative tecniche d’integrazione numerica che Fluent implementa. Il capitolo termina con la presentazione dei risultati delle simulazioni, in cui sono state calcolate le distribuzioni di temperatura, pressione, velocità e numerosi altri parametri, nonché i valori di efficienza, efficacia, e coefficiente di perdita, per varie configurazioni dei fori di raffreddamento e per diversi valori di portata massica dell’aria refrigerante. I risultati sono illustrati attraverso tabelle, diagrammi, e grafici commentati.