Blade cooling Gas Turbine. Impianti per l Energia l

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1 Blade cooling Gas Turbine Impianti per l Energia l

2 Effetto della temperatura massima del ciclo sulle prestazioni dei turbogas

3 Effetto della temperatura massima del ciclo sulle prestazioni dei turbogas: macchine realizzate. Tenere conto della definizione di TIT

4 Quali sono i componenti che consentono di avere TIT dei turbogas sempre crescenti negli ultimi 60 anni??? Evoluzione dei materiali Evoluzione dei sistemi di raffreddamento

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6 Come si può operare a TIT superiori a quelle alle quali sono in grado di resistere i materiali nelle condizioni operative delle pale statoriche e rotoriche?? Disaccoppiando la temperatura del gas (flusso primario) da quello del materiale mediante un sistema di raffreddamento I metodi di raffreddamento sono: Convezione Forzata Film Cooling Jet Imppingement Transpiration Cooling

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17 Effetto dei sistemi di raffrddamento adottati nelle turbine a gas.

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22 Influenza del rapporto di compressione e della TIT sul consumo specifico (rendimento) Influenza del rapporto di compressione e della TIT sulla portata di raffreddamento specifica

23 Nel seguito vedremo alcuni aspetti importanti relativi al blade cooling: I materiali e le barriere termiche. I metodi per il calcolo della portata di raffreddamento e delle perdite di pressione. Gli effetti del blade cooling sulle prestazioni del ciclo. Cenno ai sistemi innovativi di blade cooling (steam cooliong closed or open system)

24 Materiale per turbine a gas e sistemi per le barriere termiche

25 Resistenza alla rottura per creep Resistenza ai carichi ciclici Saldabilità e Lavorabilità Stabilità di fase Resistenza alla corrosione ed erosione ad alte temperature Pale Tradizionali Pale a solidificazione direzionale Pale monocristalline Materiali ceramici Vernici Protettive

26 Sollecitazioni da prendere in considerazione

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31 Dettaglio slide successiva

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34 Vernici protettive La funzione delle vernici protettive sui materiali compositi è quello di assicurare l integritl integrità delle pale contro gli attacchi chimici e di funzionare da barriera termica per fare crescere la temperatura operativa della a pala. Vernici anti corrosive: ossidazione e corrosione dipendono fortemente dalla temperatura superficiale così come dalle impurità contenute nel gas combusto (ridurre i contaminanti nel combustibile e nell aria). Al contrario l effeto della T sull ossidazione è non eliminabile. Per T intorno a 800 C: vernici a base di cromo (stadi non raffreddati). T più alta vernici complesse e spesse (MCrAlY( MCrAlY) ) che formano uno strato denso di ossido di alluminio superficiale termicamente molto stabile, mentre gli altri elementi controllano l attivitl attività dell alluminio tenendo a posto l ossido l ed adattando le proprietà della vernice al materiale base. Le vernici si applicano con tecniche Vacuum spray (previene l ossidazione l in fase di stesura). Per ragioni meccaniche lo spessore è in genere non superiore ai 0.4 mm. Aumentando le T ed i carichi termici le vernici sono state modificate icate particolarmente per ciò che riguarda l ossidazione l e la resistenza alla fatica termica (aggiunta di renio). Tutte le vernici in uso si consumano e la loro vita è inferiore a quella del materiale base per cui è necessaria, in genere, una revisione attorno alle ore.

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36 Thermal Barrier Coating (vernici per barriere termiche) Da tempo impiegate nei motori aeronautici. Consentono una crescita della temperatura anche di 100 C. Una TBC contiene almeno due strati: uno ceramico esterno che limita il flusso termico verso l interno l grazie alla bassa conduttività termica di questo strato e uno strato metallico che è usualmente un membro della famiglia MCrAlY. Si utilizza Zirconia (ZrO2) per lo strato ceramico avendo un coefficiente di espansione termica simile a quella del metallo. Nella Zirconia si usa circa un 7% di Y per evitare non desiderate trasformazioni di fase. Si devono però considerare due fenomeni di guasto: FLAKING: sfaldamento dovuto agli shock termici dovuti alle tensioni in transoitori tra le superfici interne ed esterne del materiale ceramico (turbine trips). PEELING: sbucciatura dovuta alla crescita dell ossido sullo strato metallico come risultato della diffusione dell ossigeno attraverso lo ZrO2 che in genere succede dopo lunghi periodi operativi.

37 Thermal Barrier Coating (vernici per barriere termiche) Una vita soddisfacente dell TBC è correlata a: limitare lo spessore dello stratoc eramico,, uno spessore di 0,25 mm è sufficiente a ridurre la temperatura del metallo di 100K. Incrementare la resistenza del materiale ceramico al fine di migliorare quella all espansione ed ai shock termici. Ciò si realizza al meglio attraverso l influenza l selettiva della microstruttura durante la stesura del materiale. Scegliere un sub-strato strato metallico con la massima resistenza all ossidazione. Per l applicazione l delle TBC si usano due procedure: spray termico e deposizione fisica di vapori. Il primo prevede il deposito con uno spray plasma atmosferico. La seconda tecnica (PVD) fornisce i migliori risultati. Il metodo consente ai cristalli di Zirconia di crescere come cristalli a forma di asta così che l espansione l del substrato non risulta in uno stress eccessivo. (però molto più costoso del primo).

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46 Aspetti termodinamici: La linea di espansione in una turbina raffreddata non è più adiabatica e quindi la sua definizione è estremamente complessa (si deve capire dove e come si realizza lo scambio di calore variazione entropica). La localizzazione della linea di espansione è necessaria per conoscere le condizioni termodinamiche e fluidodinamiche che interagiscono con la progettazione delle pale. Effetto del blade cooling sul rendimento di schiera, di stadio e di turbina. Impatto del blade cooling sulle performance a livello di ciclo: necessità di valutazioni dettagliate anche a livello di analisi preliminare.

47 Blade cooling influence

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51 Calcolo semplificato della portata di raffreddamento in una schiera di turbina raffreddata per convezione forzata

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55 η c X ε 0 w +

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59 NOTA: NELL ANALISI SEMPLIFICATIVA CONDOTTA A LEZIONE LA T BLADE è STATA CONSIDERATA COSTANTE PER SEMPLICITA LUINGO L ALTEZZA DELLA PALA (VEDI SLIDES SUCCESSIVE - conventional approach

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67 Attività di ricerca nel settore del blade cooling turbine a gas

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/ *  6 7 - 1<  *,Ê ½, /, 6, /, Ê, 9Ê - 1/  - ÜÜÜ Ìi «V Ì LA TRASMISSIONE DEL CALORE GENERALITÀ 16a Allorché si abbiano due corpi a differenti temperature, la temperatura del corpo più caldo diminuisce, mentre la temperatura di quello più freddo aumenta. La progressiva

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