El avance en la tecnología de turbinas tiene efectos profundos en la sociedad y el medio ambiente actuales. Dado que más del 90% de la electricidad y el 100% del transporte aéreo comercial se producen mediante el uso de turbinas de gas, cualquier avance en la tecnología de turbinas puede impactar en el combustible utilizado, los contaminantes y el dióxido de carbono emitidos al medio ambiente.

Dentro del motor de turbina, comprender completamente el enfriamiento por película es fundamental para la confiabilidad de un motor de turbina. El enfriamiento por película es una forma eficiente de proteger la superficie del motor del gas entrante extremadamente caliente, cuya temperatura es mucho más alta que la temperatura permitida incluso por la aleación super avanzada más resistente utilizada en turbinas.

El rendimiento del enfriamiento por película se ve afectado por muchos factores: factores geométricos y condiciones de flujo. En la mayoría de la literatura sobre enfriamiento por película, la efectividad de la película se ha utilizado como criterio para juzgar y/o comparar entre diseños de enfriamiento por película.

La uniformidad de la película también es un factor crítico, ya que determina qué tan bien se extiende el refrigerante aguas abajo para proteger la superficie de paso de gases calientes de un motor de turbina de gas. Incluso después de considerar todos los factores geométricos y condiciones de flujo, la efectividad de la película sigue siendo afectada por la interacción estator-rotor, en particular por las estelas móviles producidas por álabes aguas arriba.

Un análisis completo del enfriamiento por película en el muro final dentro de la turbina es necesario para comprender completamente el fenómeno. Este análisis completo es casi imposible en el ámbito académico.

Por lo tanto, se diseñó un banco de pruebas experimental simplificado pero crítico y un modelo computacional de dinámica de fluidos para capturar el efecto de la estela en el enfriamiento por película dentro de una sección de prueba anular. Las estelas móviles se crean al girar una rueda con 12 radios o varillas con un motor de velocidad variable. Así, cambiar la velocidad del motor alterará la frecuencia de paso de la estela.

Este diseño es un avance respecto a la mayoría de los estudios anteriores en conductos rectangulares, que no pueden simular estelas en un paso anular como en un motor. Este banco de pruebas también incluye inyección de película, lo que permite estudiar el impacto de las estelas móviles en el enfriamiento por película.

Esta estela es una representación simplificada del borde de salida creado por un álabe aguas arriba. En este estudio se consideró un anillo con sección de prueba de 30° de inclinación. Este banco de pruebas experimental se basa en un banco de enfriamiento por película de placa plana existente (BFC) que ha sido validado en el pasado.

La medición de perfiles de velocidad dentro de la estela móvil aguas abajo del generador de estelas se utilizó para validar el modelo de estela rotatoria mediante CFD. La literatura abierta sobre enfriamiento por película y experimentos anteriores realizados en el laboratorio validaron el modelo de enfriamiento por película mediante CFD.

Con estas validaciones completadas, el modelo completo de CFD predice la interacción entre la estela y el enfriamiento por película. Se consideraron nueve casos de CFD variando la relación de inyección del enfriamiento por película y el número de Strouhal de la estela.

Los resultados indicaron que las estelas aumentan considerablemente la efectividad del enfriamiento por película cerca de los orificios de enfriamiento por película y degradan la capa de película aguas abajo de la inyección de película, en el momento del paso de la estela. Sin embargo, la efectividad promediada en el tiempo del enfriamiento por película es más o menos la misma con o sin estela.

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Kapat, Jayanta S.
Maestría en Ingeniería Mecánica (M.S.M.E.)
Colegio de Ingeniería y Ciencias de la Computación
Ingeniería Mecánica, de Materiales y Aeroespacial

Duración del acceso restringido al campus
Tesis de Maestría (Acceso Abierto)

Disertaciones, Académico – Ingeniería y Ciencias de la Computación, Ingeniería y Ciencias de la Computación – Disertaciones, Académico

Tran, Nghia Trong, “Enfriamiento por película con paso de estelas aplicado a un muro final anular” (2010). Tesis y disertaciones electrónicas. 1687.