Refrigerazione per convezione interna

Il metodo più semplice ed economico per adoperare l’aria estratta dal compressore, consiste nello sfruttare la convezione fra il fluido refrigerante ed il metallo sulla faccia interna della pala. La refrigerazione per semplice convezione è un sistema privo di miscelazione, o tuttalpiù essa si realizza in prossimità del bordo d’uscita della pala. Le prime applicazioni di tale sistema prevedevano l’utilizzo di canali radiali praticati all’interno della paletta. Tuttavia tale soluzione presenta una limitata efficienza a fronte di elevate portate di aria refrigerante.

direzione radiale

ingresso refrigerante

fig. 1.20 schema di refrigerazione mediante canali radiali.

Sono state allora introdotte innovazioni per potere migliorare l’efficacia del metodo a canali radiali: si tenta di aumentare la lunghezza del percorso del fluido refrigerante, veicolandolo attraverso un circuito a serpentina, passante dal mozzo dell’albero della turbina e formato da canali sagomati in maniera opportuna, in modo da aumentarne la turbolenza, fino all’apice della pala e quindi espulso dal bordo di fuga (trailing edge) della stessa ma a causa del moderato coefficiente di scambio per convezione, l'effetto refrigerante si mantiene sempre modesto. Per ovviare a tale inconveniente, i percorsi all’interno delle pale sono molto tortuosi, in maniera tale da incrementare ulteriormente il coefficiente di scambio, e di accrescere nello stesso tempo la superficie interna di scambio. Un’altra possibilità verso cui

propende attualmente la tecnologia, consiste nell’incrementare il numero dei canali di refrigerazione.

Altri accorgimenti adoperati sono i cosiddetti pin fin ovvero, come si capisce dal nome delle vere e proprie alettature a spillo, che vengono disposte lungo file. Le schiere di pin fin costituiscono un metodo comune per incrementare il coefficiente di scambio termico relativo al refrigerante all’interno delle pale, in quanto tali sistemi permettono l’aumento della turbolenza del flusso di refrigerante.

fig. 1.21 principio di funzionamento della refrigerazione per convezione, con l’utilizzo di pin fin.

Chiaramente la superficie -investita dal flusso del refrigerante- capace di scambiare calore, aumenta con l’altezza dell’aletta. Inoltre tali alette fungono da supporto strutturale tra superficie della paletta in depressione (suction side) ed in pressione (pressure side), e vengono utilizzate in special modo lungo la stretta sezione del bordo di fuga, in cui a causa di ostacoli costruttivi non trovano spazio altri sistemi di refrigerazione, che verranno illustrati dinnanzi, chiamati turbolatori e canali di impingement .

A causa delle attuali limitazioni dovute alla metodologia costruttiva per fusione, possono esser utilizzate solamente schiere di pin fin aventi un’altezza molto limitata (tali cioè da avere un rapporto tra altezza e diametro compreso tra ½ e 4) ciò è dovuto al fatto che le alette possono solamente essere costruite con un diametro massimo di 1mm. In ogni modo, continuano ad essere oggetto di studio gli effetti dell’altezza, della forma, della disposizione di tali dispositivi sul coefficiente di scambio.

Sempre al fine di aumentare la turbolenza, vengono anche utilizzate delle altre particolari alettature, dette turbolatori.

fig. 1.22 schema di turbolatore.

Questa soluzione è adottata solo negli ultimi stadi refrigerati, in quanto presenta un’efficienza relativamente scarsa e, soprattutto, non consente di proteggere le palette dalle bruciature superficiali dovute al contatto diretto con i gas caldi, provenienti dalla camera di combustione. È inoltre previsto l’utilizzo, nella quasi totalità dei casi per le pale rotoriche del primo stadio, di promotori di turbolenza detti ribs, posti nelle cavità interne del naso della pala, zona maggiormente sottoposta a forti ed improvvisi stress termici, essendo la prima regione che viene a contatto con il flusso caldo dei gas combusti.

Nei moderni profili palari sono collocati promotori di turbolenza ripetuti sulle due facce opposte dei canali refrigeranti per incrementare lo scambio termico. I summenzionati canali interni assumono perlopiù una forma quadrata o rettangolare.

La capacità refrigerativa di tali condotti dipende da rapporto di forma del canale, dalla disposizione dei ribs, dal numero di Reynolds relativo al flusso. generalmente, i ribs sono di sezione quadrata are con una altezza pari al 10% del diametro idraulico del canale, e una spaziatura variabile tra 5 e 15 volte l’altezza. Attualmente comunque, i profili palari dispongono di ribs aventi configurazioni maggiormente complesse.

fig. 1.23 schema di pala, con promotori di turbolenza e turbolatori.

1.7.2 Impingement

Si ottiene una maggiore efficacia mediante la refrigerazione per urto (impingement), la quale fra tutti i metodi di raffreddamento per convezione interna, fornisce il coefficiente locale di scambio termico significativamente più elevato.

Questa tecnica può essere impiegata direttamente sulla superficie da refrigerare mediante un modello molto semplice, in cui l’aria "fresca" proveniente da una schiera o più schiere di getti va ad impattare in direzione normale alla superficie sulla parete interna della pala, aumentando così lo scambio termico, e riducendone di conseguenza la temperatura. In tale applicazione il refrigerante oltre che essere scaricato al bordo di fuga della pala, viene convogliato anche al bordo d’ingresso (leading edge), dove va a formare una sorta di film all’interno della paletta, sicuramente più efficace della semplice refrigerazione convettiva. Sono possibili vari allestimenti, e sono da considerare svariati aspetti per poter ottenere una refrigerazione efficace. Alla base della refrigerazione per impingement sta un meccanismo molto efficace. Il termine "impingement" significa propriamente

"collisione", in altre parole l’urto del getto di fluido refrigerante che va ad impattare con la parete a cui deve essere asportato calore. Tale getto garantisce un sottile velo di fluido refrigerante a contatto con la superficie calda della paletta capace di garantire un elevato coefficiente di scambio termico. La figura sottostante mostra che il coefficiente convettivo decresce con l’aumentare del diametro del getto

fig. 1.24 meccanismo del raffreddamento per urto.

Come mostrato in figura per un singolo getto, il flusso d'aria del refrigerante scorre attraverso un diffusore e urta direttamente la parete che deve essere refrigerata. La velocità del flusso d'aria del getto è molto elevata, con conseguente flusso turbolento non appena si ha l’urto. Prima dell’urto, il flusso è libero, mentre dopo, il flusso segue il profilo della parete. Il relativo profilo di velocità decade velocemente vicino alla parete. Il flusso è estremamente turbolento, con notevoli fluttuazioni di velocità, in maniera tale da aumentare considerevolmente la miscelazione locale. Di conseguenza il coefficiente di scambio convettivo risulta incrementare significativamente. Il più alto coefficiente di scambio convettivo h lo si ha all’interno della zona di ristagno e diminuisce oltre il punto di ristagno stesso. Tuttavia, quando il getto è molto vicino alla parete, si ha la presenza di un secondo picco nel coefficiente di scambio termico. Un altro fattore rilevante è quello relativo alla disposizione geometrica dei getti, che viene descritta da dei parametri adimensionali, dati dal rapporto tra una dimensione caratteristica xn, y_n, z_n,ed il diametro del diffusore D. In tal senso sono state presentate molteplici correlazioni, che rappresentano gli effetti dei tre parametri geometrici per differenti configurazioni di allineamento dei getti, in special modo per allineamenti normali. Un altro parametro importante oltre questi tre fattori è quello relativo al flusso incrociato, cioè flusso controcorrente che si viene a creare dopo l’urto sulla superficie. Questo ultimo fenomeno che non si può evitare, è indesiderato, in quanto contrasta la corrente d'aria stemperando in tal modo l'intensità del getto. Tuttavia, per bassi valori di velocità del flusso incrociato l’efficacia dello scambio termico aumenta. Oltre all’influenza del flusso incrociato sullo scambio termico sono inoltre oggetto di studio altri fattori quali, l'effetto della direzione del flusso principale, o la presenza di fori sulla parete della pala in maniera tale da ridurre l'effetto del flusso incrociato ed incrementare di conseguenza lo scambio termico. È ragionevolmente evidente che i parametri geometrici adimensionali non sono sufficienti per esprimere le disposizioni complicate dei fori realmente presenti nella paletta di una turbina a gas. In tal senso l'industria sarebbe molto avvantaggiata se esistessero correlazioni per geometrie complesse. Poiché queste correlazioni non esistono e gli esperimenti sono molto costosi, i progettisti si avvalgono delle correlazioni relative alle disposizioni geometriche semplici presenti in letteratura. Di conseguenza, si tende ad usare più

refrigerante ed a praticare più fori di quanto sia realmente necessario, oppure a limitare le condizioni di progetto.

fig. 1.25 schema di refrigerazione per impingement applicata al bordo d’attacco della paletta.

Nella refrigerazione della turbina a gas, il metodo di raffreddamento per urto ben si adatta alla refrigerazione del bordo d’attacco delle palette del rotore, in cui il carico termico è più alto e una sezione trasversale più spessa permette una agevole configurazione e sistemazione dei getti attraverso cui viene eiettata l’aria refrigerante. Questa tecnica viene inoltre impiegata per il raffreddamento delle palette del distributore, caso in cui si rivela più adatta.

fig .1.26 Schema di refrigerazione per impingement per il distributore del primo stadio.

La figura illustra la maniera in cui viene impiegato il raffreddamento per urto nel profilo alare della paletta del distributore di una turbina a gas. Questa, costituita da due vani separati da una parete perforata può essere considerata una configurazione tipica. Si nota che un alloggiamento è pressurizzato con l'aria del refrigerante.

Attraverso la parete perforata, la parete opposta all'altro vano avverte l'effetto refrigerante. Tipicamente tale metodo viene adoperato nei profili palari per proteggerli dal surriscaldamento. Un’altra possibile situazione in cui viene applicata la tecnica di raffreddamento per impingement è nella camera di combustione.

Come precedentemente affermato, si tratta di una tecnologia che ben si presta alla refrigerazione in corrispondenza del bordo d’attacco, dove si rivela molto efficace.

Questa metodologia, come la precedente per convezione, tuttavia, consente solo di refrigerare la zona interna della pala, il che comporta delle bruciature sulla superficie esterna della stessa ed inoltre si presentano rilevanti perdite d’energia connesse alla notevole compressione richiesta per il fluido refrigerante. Per questo, si è sentita la necessità di un nuovo sistema di refrigerazione che consenta la protezione anche delle zone della pala esposte direttamente al contatto con i gas combusti; si adotta pertanto il metodo del cosiddetto "film cooling".