FLUSSI SECONDARI SULL'ATTACCO DELLA PALETTATURA DEL TERZO STADIO DELLA TURBINA A GAS GE 10-1

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1 FLUSSI SECONDARI SULL'ATTACCO DELLA PALETTATURA DEL TERZO STADIO DELLA TURBINA A GAS GE 10-1 Firenze, 7 Gennaio

2 Introduzione La turbina a gas GE10-1, è una turbina monoalbero da circa 10 MW elettrici di potenza, normalmente impiegata nella produzione di energia elettrica. E stata fatta un analisi su come i flussi termici determinano la distribuzione di temperatura nei vari punti, in modo da: assicurare che i vari componenti siano adeguatamente raffreddati in modo da garantire la vita utile stabilita in fase di progetto prevenire che i gas caldi entrino nelle cavità della turbina (ingestione) migliorare l efficacia del raffreddamento, il che implica l ottimizzazione dei seguenti parametri: quantità d'aria scambio termico pressione di alimentazione del refrigerante diminuire il lavoro di compressione del refrigerante 2

3 Regime transitorio Durante il transitorio, quello che è importante verificare, sono le diverse dilatazioni termiche del rotore e del casing. Tra questi due organi, per obbligare il flusso a passare interamente attraverso le pale, è interposta una tenuta che è generalmente di materiale ceramico. Prima dell avviamento, questo anello ceramico, entra in modo preciso nella sua sede, occupando l intero spazio che c è tra l estremità della pala e il casing. Una volta avviata la macchina,la tenuta si consuma in ragione della distanza che si crea tra l organo statorico (casing) e quello rotante (pale). Tale distanza è dovuta: assicurare per l organo rotante, alla forza centrifuga, al coefficiente di dilatazione termica e alla temperatura a cui si trova (completamente immerso nella corrente di fluido caldo) l organo statorico, al coefficiente di dilatazione termica e alla temperatura (a contatto col fluido caldo solo con la parete interna) Quello che occorre evitare è che le pale, scaldandosi più velocemente del casing, vadano a consumare maggiormente la tenuta, rispetto al normale consumo che si avrebbe, se i due raggi crescessero ugualmente. Alla fine del periodo transitorio, se si verifica un anormale dilatazione delle pale rispetto al casing, avremo un eccessivo gioco tra i due organi con conseguente tra filamento e calo delle prestazioni. 3

4 Regime stazionario Durante il regime stazionario, la cosa importante da verificare è il profilo di temperatura del componente. Gli organi rotanti, sottoposti ad alte temperature hanno problemi di creep (scorrimento viscoso a caldo tra i cristalli). Quindi, la temperatura nei vari punti del componente, non deve superare i limiti imposti dal costruttore, determinati in considerazione della salvaguardia del pezzo e/o del raggiungimento della sua vita utile. Il fenomeno dell ingestione è una delle cause dell innalzamento delle temperature all interno delle cavità con conseguente danneggiamento della pala. Sintomo di tale fenomeno sono valori di pressione tali da determinare un flusso di massa entrante, anziché uscente, dalle cavità. Nel fare quest analisi, è possibile verificare le pressioni del refrigerante, sulle varie superfici del componente, attraversate durante il suo moto. Pertanto, avendo definito la portata dei prodotti della combustione, del refrigerante e le loro condizioni termofluidodinamiche, sono controllate le varie temperature a cui si trovano le superfici del bucket, siano al di sotto dei limiti; altresì che la portata di refrigerante e la sua pressione, saranno in misura giudicata utile e non eccessiva per lo scopo prefisso. La misura giudicata utile per la pressione, sarà anche quella che garantirà un flusso di massa uscente dalle cavità. 4

5 Descrizione della simulazione Il moto del refrigerante, è risolto, sotto le seguenti ipotesi: flusso stazionario flusso monodimensionale fluido comprimibile conservazione della massa, del momento e dell'energia considerando l aria un gas perfetto Le equazioni monodimensionali necessitano di correlazioni sperimentali sullo scambio termico e sull attrito, per definire il profilo di temperatura e di velocità. Per eseguire l oneroso calcolo iterativo in tempi brevi, le correlazioni sono contenute all interno di un programma. Il programma esegue inoltre un analisi FEM sui modelli solidi dei componenti della macchina che sono definiti insieme al loro relativo accoppiamento e il sistema di vincoli/forze a cui sono sottoposti. A questo punto viene definita una prima rete fluida dell intero modello costituito dal compressore, piping, turbina e scarico. Questo viene fatto perché sono note le condizioni di ingresso e uscita dei fluidi dalla macchina, ma non è noto cosa succeda all interno, ed è troppo complicato o, in alcuni casi impossibile, pensare di strumentarla tutta. Sarà successivamente evidenziato di volta in volta la parte interessata (nel nostro caso il bucket delle pale del terzo stadio) per compiere l analisi. Se dall analisi dovesse essere evidenziato un elevato gradiente di temperatura su una certa superficie, la rete fluida, sarà meglio dettagliata, nel punto interessato, suddividendola eventualmente in più rami. Al contrario, punti di scarso interesse, o trascurabili, suggeriscono di semplificare il modello per rendere meno oneroso il calcolo, comunque pesante anche se svolto col calcolatore. La rete fluida viene suddivisa in tante parti e ricondotta a modelli semplici noti (come flusso all'interno di un tubo, su una superficie piana, attraverso un orifizio, ecc.). Il programma, valuta prima le perdite di carico, riferite all ingresso/uscita del singolo tratto di rete fluida, tenendo conto di: convergenza/divergenza della geometria, se c è un incrocio di due o più rami nella rete fluida; e dopo il bilancio energetico. Per eseguire un conto così complicato sono utilizzati software proprietari sofisticati. 5

6 Descrizione del modello di simulazione La parte di modello analizzata è la pinna d attacco della pala del terzo stadio della turbina monoalbero GE 10-1 (vedi figura), da 10 MW elettrici di potenza, non raffreddata con tecnica film cooling, con tenuta sulla piattaforma anteriore tipo ala d angelo (angel wing) e tettuccio sulla parte posteriore (shroud) con doppia tenuta a labirinto. 6

7 Definizione delle superfici Le superfici S1 e S2, sono state scelte perché hanno un profilo di temperatura che varia linearmente con l altezza. Le frecce di colore blu mostrano, in linea di massima, il percorso dell aria che attraversa longitudinalment e la base del bucket. Quelle più chiare rappresentano la zona dove, possibilmente, può avvenire l ingestione Le superfici A1-5, che riguardano la superficie che separa due pale della schiera, sono state scelte in quanto, tra queste due superfici, durante il montaggio, saranno inserite delle tenute, negli interstizi. La geometria di tali tenute sarà definita in base alle temperature ed alla portata di refrigerante che esce dall interstizio. 7

8 Le superfici A6 (attacco della pala), mostrano profili di temperatura confrontabili (variano entrambi lungo l altezza della pala), per via della loro geometria e sono state considerate uguali La base della pala è stata divisa in 13 superfici (superfici Q1-13) per discretizzare pressione e temperatura e ricavare dei coefficienti di scambio termico discreti per i vari punti, nella valutazione dello scambio termico. Il fluido, lungo la base della pala (assialmente, guardando la macchina) cambia le proprietà per via dell aerodinamica. Precisamente, i principali valori che cambiano sono: Nusselt Temperatura Viscosità, K La rete fluida, per valutare le perdite di carico e/o le pressioni del refrigerante, utilizza solo alcuni dei punti utilizzati nello scambio termico. 8

9 Così come per la base della pala, anche per il tettuccio (superfici P1-11), il problema viene discretizzato, suddividendo le superfici. La superficie W1, ad ala d angelo, è studiata per fare tenuta, in modo che i gas caldi non entrino negli interstizi tra le pale. 9

10 Risultati e conclusioni risultati prodotti hanno evidenziato che la macchina GE 10-1 non ha problemi di eccesso di temperatura o di portata d aria sul bucket delle pale del terzo stadio. E stato ritenuto opportuno allungare l ala d angelo per aumentare la tenuta sulle cavità, evitando possibili ingestioni. Surface ID Pressure [MPa] T bulk [K] HTC [W/(m^2*K)] S S A A A A A A T W S L'output del programma mostra anche la pressione in uscita dalle singole superfici. Com è possibile notare dalla tabella, il coefficiente di scambio per convezione, per la superficie A1, è molto basso. Ciò è giustificato perché il flusso di refrigerante, in quel punto, è limitato; infatti, questa superficie si trova nell interstizio tra le due pale. Il valore più alto, come coefficiente di convezione, lo troviamo alla testa della pala. Questo può essere un elemento da prendere con maggior attenzione. Infatti tale coefficiente è funzione del flusso d aria attraverso la tenuta, a sua volta funzione della differenza di pressione tra le superfici della pala, funzione del carico attaccato alla macchina. Occorre quindi fare attente valutazioni per le diverse situazioni in cui opera la macchina ed eventualmente vedere se è il caso di inserire una terza tenuta per limitare il trafilamento. 10