Studio CFD del raffreddamento delle pale di una turbina a gas

Un importante sviluppo nella preparazione di palettature sempre più resistenti alle alte temperature è dato dai rivestimenti a barriera termica TBC (Thermal Barrier Coating). Le TBC consistono in uno strato termicamente isolante fatto di materiali quali lo zirconio e l’ittrio, riportati sulla superficie metallica della pala: indicativamente lo spessore è dell’ordine di 0.2-0.4 mm, con conducibilità termica molto bassa, dell’ordine di 2-4 W/mK.
La TBC costituisce una resistenza termica tra i gas caldi e la parte metallica della pala, in modo che la parte metallica stessa, che è quella soggetta agli sforzi meccanici, operi ad una temperatura inferiore, o anche in modo che a parità di temperatura del metallo si possa spingere un po’ più in alto con la TIT.
Lo spessore della TBC può essere fissato in modo da ottenere il livello desiderato di resistenza termica, ovvero di riduzione di temperatura.
Durante il funzionamento della turbina a gas, la barriera termica è soggetta all’influenza combinata di sforzi meccanici dovuti alle forze centrifughe e di stress termici dovuti ai diversi coefficienti di dilatazione termica dei materiali a contatto. Quindi l’interazione di questi meccanismi genera una sorta di fatica termomeccanica (TMF, thermal – mechanical fatigue).
La tecnologia della TBC, inizialmente ostacolata dalla possibilità di distacco e di erosione, si è notevolmente sviluppata negli ultimi anni, ed è oggi ampiamente applicata nelle unità più moderne, per palettature sia statoriche che rotoriche, ma anche per altre parti calde quali i Transition Pieces.