Diseño constructal de álabes de turbina de gas refrigerados mediante conductos elipticos

Abstract

Las turbinas de gas (en adelante TG), son máquinas térmicas utilizadas para transformar la energía liberada en la combustión de un hidrocarburo, en potencia o trabajo. La parte crítica en el diseño de una TG, recae en las secciones expuestas a condiciones extremas. La temperatura de entrada al rotor (RIT, por sus siglas en inglés, “rotor inlet temperature”) es la variable crítica que limita la eficiencia y la durabilidad. La eficiencia está limitada por la máxima temperatura que pueden soportar los materiales de los álabes sin ablandamiento, fluencia o desgaste prematuro, mientras que la durabilidad recae, debido a que a mayor RIT la probabilidad de falla por fatiga se incrementa. En la actualidad la RIT está por encima de la temperatura de ablandamiento del material (softening point material), gracias a técnicas de recubrimientos cerámicos de baja conductividad térmica, Termal Barrier Coating (TBC) y a refrigeración interna y externa de los álabes, llegando en turbinas modernas a superar los 1400 ºC. La refrigeración interna consiste de la circulación de un fluido, que usualmente es aire el cuál proveniente de una extracción del compresor, por conductos practicados internamente en los álabes. Debido a que este no es utilizado para generar potencia, es necesario optimizar las técnicas de refrigeración con el fin de utilizar la menor cantidad de extracción de aire y no incurrir en una baja en la eficiencia global de la TG. El objetivo del presente trabajo es optimizar la configuración de los conductos de refrigeración, minimizando la máxima temperatura sobre el álabe (mínimum local hot-spot hoverheating) mediante la optimización de 5 grados de libertad geométricos y la eficiencia de evacuación de calor. La resolución de la ecuación de difusión es llevada a cabo por el método de elementos finitos.