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

Abstract

La eficiencia térmica y la potencia generada de una turbina de gas, se incrementan a medida que aumenta la temperatura de entrada al rotor (RIT, por sus siglas en inglés, la eficiencia, debido a la máxima temperatura que pueden soportar los materiales de los álabes. Los gases provenientes de la cámara de combustión a muy alta temperatura y velocidad, generan tensiones térmicas y mecánicas provocando desgaste, fluencia lenta (creep) y fatiga, como los principales causantes de fallas, influyendo en la vida útil de los mismos. El creciente interés por hacer un aprovechamiento más eficiente de los recursos disponibles, ha enfocado esfuerzos en el mejoramiento de 3 grandes cuestiones: 1- Mejora de la efectividad de refrigeración, 2- nuevos materiales con recubrimientos cerámicos de alta temperatura, 3- Mejora de la eficiencia del guiado del flujo, reduciendo las fugas. El presente trabajo, busca mejorar la eficiencia de refrigeración interna de los álabes, mediante un diseño óptimo del perfil de álabe con canales elípticos internos, que permita maximizar la conducción de calor, minimizando la máxima temperatura sobre la superficie externa del álabe, sometido a un flujo de calor externo proveniente de los gases calientes. El modelo analizado es un álabe elemental, con canales elípticos, con la posibilidad de variar 7 grados de libertad geométricos, cuya resolución numérica mediante el método de volúmenes finitos es realizada con Matlab. Los resultados obtenidos, indican que existe, tal como la teoría Constructal predice, un diseño óptimo que mejora la accesibilidad de los flujos, reduciendo la resistencia térmica y por ende, minimizando la máxima temperatura sobre la superficie del álabe.