Appunti VERIFICATO
Scambio termico
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Di cosa parla
- Introduzione: Il documento illustra le strategie per sostenere condizioni di alta temperatura, inclusi miglioramenti nella fusione, leghe metalliche resistenti e materiali ceramici innovativi. Viene evidenziata la crescente popolarità dell'Additive Manufacturing per sbloccare nuovi concetti di design e sistemi di raffreddamento complessi.
- Tecniche di Produzione Convenzionali: Si descrive l'evoluzione delle pale di turbina, dalla forgiatura alla fusione in conchiglia (equiaxed, solidificazione direzionale DS, monocristallo SX) per migliorare la resistenza alla fatica. Si sottolinea l'uso di anime ceramiche per creare cavità interne e le sfide nella prevenzione dei difetti dimensionali e dei grani.
- Rivestimenti a Barriera Termica (TBC):
- Introduzione e Funzionalità: I TBC sono rivestimenti ceramici applicati alle parti più calde delle turbine a gas per permettere temperature operative più elevate, offrendo isolamento termico, compliance alle deformazioni e riflettendo il calore radiante.
- Componenti: Sono costituiti da un top coat ceramico (solitamente YSZ), un bond coat metallico e uno strato di ossido termicamente cresciuto (TGO) che ne garantisce l'adesione e la protezione dall'ossidazione.
- Modellizzazione e Analisi di Similitudine: Viene presentato un approccio semplificato per la modellizzazione del TBC e un'analisi di similitudine per studiare il trasferimento di calore in relazione ai parametri non dimensionali.
- Effetti della Curvatura e Implicazioni: La curvatura delle superfici e le diverse aree di scambio termico influenzano l'efficacia del raffreddamento. L'applicazione di TBC migliora l'efficienza di raffreddamento anche in geometrie complesse. Vengono discusse le implicazioni dei fori di raffreddamento a film e della loro caratterizzazione.
- Compositi a Matrice Ceramica (CMC):
- Introduzione e Benefici: I CMC offrono la possibilità di operare a temperature molto elevate senza raffreddamento, riducendo il consumo di refrigerante, il peso e migliorando le proprietà meccaniche e l'efficienza del ciclo.
- Caratteristiche e Tecnologie: Sono materiali compositi di fibre e matrice ceramica (es. SiC/SiC, Ox/Ox) con alta resistenza alla temperatura e durabilità.
- Problematiche: La formazione e propagazione delle cricche rimangono una preoccupazione, insieme ai danni da oggetti estranei (FOD).
- Additive Manufacturing (AM):
- Introduzione: L'AM permette di produrre componenti complessi strato per strato, riducendo tempi e costi di sviluppo. Siemens è pioniera nel testare pale di turbina realizzate con AM.
- Esempi di Applicazione: Permette la realizzazione di schemi di raffreddamento a doppia parete (matrix e trasversali) nelle turbine e l'integrazione di raffreddamento a impingement e a film nei combustori.
- Finitura Post-Produzione e Rugosità: La finitura superficiale è cruciale per ridurre la rugosità, che può influenzare il trasferimento di calore.
- Pressione e Trasferimento di Calore: La direzione di costruzione e il materiale influenzano la forma del canale e la rugosità, con il numero di Biot che spiega l'efficacia del trasferimento di calore delle particelle superficiali. Le correlazioni esistenti tendono a sovrastimare il trasferimento di calore.
- Effetti della Rugosità: La rugosità aumenta il trasferimento di calore convettivo ma anche le perdite di pressione. Vengono presentate correlazioni per quantificare l'aumento del trasferimento di calore in funzione del fattore di attrito. La rugosità può anticipare la transizione dello strato limite, aumentando il trasferimento di calore ma riducendo l'efficacia del raffreddamento a film a bassi rapporti di soffiaggio.
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