Evaluación de geometrías de canales de refrigeración por película en álabes de turbinas de gas

Abstract

La refrigeración por película ha permitido incrementar las temperaturas de trabajo en álabes de turbinas de gas, al mantener parte de la superficie cubierta por un flujo de refrigerante de menor temperatura que el flujo principal de los gases de combustión. El rendimiento de la refrigeración por película está altamente influenciado por la relación de velocidades entre el flujo de refrigeración y el flujo principal de gases calientes, ası́ como de la geometría de descarga, principalmente. La influencia de estos parámetros genera fenómenos como la formación de vórtices, los cuales pueden atenuar o acelerar la separación del refrigerante, dependiendo el caso. Una técnica usada para mejorar el rendimiento de refrigeración ha sido colocar obstáculos o resaltos aguas arriba del agujero de descarga, los cuales retardan la mezcla del refrigerante con el flujo principal. En este trabajo se analizó, mediante simulaciones numéricas de flujo incompresible en OpenFoam, el efecto generado por la prensencia de dos diferentes obstáculos aguas arriba de la descarga de refrigerante sobre una placa plana. El análisis se llevó a cabo mediante la evaluación de diferentes indicadores de rendimiento de refrigeración, en el que se evaluarón tres configuraciones diferentes de la placa plana: sin obstáculo, con obstáculo triangular y con obstáculo curvo. En los tres casos la relación de velocidades entre el chorro y el flujo principal fue de uno (U c /U ∞ = 1). Encontrandose que al agregar obstáculos se tiene un incremento en la efectividad de enfriamiento promedio (η) y el flujo de calor neto reducido (NHFR), debido a que estos generan una mejor propagación lateral en la descarga del refrigerante al no separarse tempranamente de la superficie. El obstáculo curvo es el de mejor desempeño al tener la mayor (η) y el mayor (NHFR) respecto a los demás casos. (Texto tomado de la fuente)

Film cooling technology has increased the operating temperature of gas turbine blades and vanes. The refrigerant film cools part of the surface, keeping it at a lower temperature than the main stream of combustion gases. The performance of film cooling is affected by the velocity of the refrigerant relative to the main stream (vlocity relation), and the geometry of the holes through which the refrigerant is discharged. These parameters can generate vortices, which can either diminish or accelerate the separation of the refrigerant from the surface. In this work, the effect of placing a triangular and a circular obstacle upstream of the refrigerant discharge in a flat plate was carried out by means of numerical simulation of incompressible flow with OpenFoam software. The analysis was conducted by evaluating different performance indicators of film cooling. Three different configuration of flat plate were evaluated: whithout obstacle, triangular obstacle and curve obtacle. The velocity relation of the three cases was set as one (U c /U ∞ = 1). It was found that adding obstacles increased the average cooling effectiveness (η) and the net heat flux reduction (NHFR). This is because obstacles promote better lateral spreading of the coolant, preventing early separation from the surface. Among the obstacles simulated, the circular one showed the best performance, due to their average film cooling efectiveness (η) and the net heat flux reduction (NHFR) was the highest.