Una pala de turbina es un perfil aerodinámico radial montado en el borde de un disco de turbina y que produce una fuerza tangencial que hace girar el rotor de una turbina. [2] Cada disco de turbina tiene muchas palas. Como tales, se utilizan en motores de turbina de gas y turbinas de vapor . Las palas son responsables de extraer energía del gas a alta temperatura y alta presión producido por la cámara de combustión . Los álabes de las turbinas son a menudo el componente limitante de las turbinas de gas. [3] Para sobrevivir en este entorno difícil, las palas de las turbinas suelen utilizar materiales exóticos como superaleaciones y muchos métodos diferentes de enfriamiento que pueden clasificarse como enfriamiento interno y externo, [4] [5] [6] y recubrimientos de barrera térmica . La fatiga de las palas es una fuente importante de fallas en las turbinas de vapor y de gas. La fatiga es causada por el estrés inducido por la vibración y la resonancia dentro del rango operativo de la maquinaria. Para proteger las palas de estas elevadas tensiones dinámicas, se utilizan amortiguadores de fricción. [7]
Las palas de las turbinas eólicas y las turbinas hidráulicas están diseñadas para funcionar en diferentes condiciones, que normalmente implican velocidades de rotación y temperaturas más bajas.
En un motor de turbina de gas , una sola etapa de turbina está formada por un disco giratorio que sostiene muchas palas de turbina y un anillo estacionario de paletas guía de tobera delante de las palas. La turbina está conectada a un compresor mediante un eje (el conjunto giratorio completo a veces se denomina "carrete"). El aire se comprime, elevando la presión y la temperatura a medida que pasa por el compresor. Luego, la temperatura aumenta mediante la combustión del combustible dentro de la cámara de combustión que se encuentra entre el compresor y la turbina. Luego, el gas a alta temperatura y alta presión pasa a través de la turbina. Las etapas de la turbina extraen energía de este flujo, bajando la presión y la temperatura del gas y transfieren la energía cinética al compresor. El funcionamiento de la turbina es similar al funcionamiento del compresor, sólo que a la inversa, en lo que se refiere, por ejemplo, al intercambio de energía entre el gas y la máquina. Existe una relación directa entre cuánto cambia la temperatura del gas (aumento en el compresor, disminución en la turbina) y la entrada de potencia del eje (compresor) o salida (turbina). [8]
Para un motor turbofán, el número de etapas de turbina necesarias para accionar el ventilador aumenta con la relación de derivación [9], a menos que la velocidad de la turbina pueda aumentarse añadiendo una caja de engranajes entre la turbina y el ventilador, en cuyo caso se requieren menos etapas. [10] El número de etapas de la turbina puede tener un gran efecto en cómo se diseñan las palas de la turbina para cada etapa. Muchos motores de turbina de gas tienen diseños de doble carrete, lo que significa que hay un carrete de alta presión y un carrete de baja presión. Otras turbinas de gas utilizan tres carretes, agregando un carrete de presión intermedia entre el carrete de alta y baja presión. La turbina de alta presión está expuesta al aire más caliente y de mayor presión, y la turbina de baja presión está sujeta al aire más frío y de menor presión. La diferencia de condiciones lleva al diseño de álabes de turbinas de alta y baja presión que son significativamente diferentes en cuanto a materiales y opciones de refrigeración, aunque los principios aerodinámicos y termodinámicos son los mismos. [11] Bajo estas severas condiciones de operación dentro de las turbinas de gas y vapor, las palas enfrentan altas temperaturas, altas tensiones y vibraciones potencialmente altas. Las palas de las turbinas de vapor son componentes críticos en las centrales eléctricas que convierten el movimiento lineal del vapor a alta temperatura y alta presión que fluye a favor de un gradiente de presión en un movimiento giratorio del eje de la turbina. [12]
Las palas de las turbinas están sometidas a entornos muy extenuantes dentro de una turbina de gas. Se enfrentan a altas temperaturas, altas tensiones y un entorno potencial de alta vibración. Estos tres factores pueden provocar fallas en las palas, lo que podría destruir el motor; por lo tanto, las palas de la turbina se diseñan cuidadosamente para resistir estas condiciones. [13]
Las palas de las turbinas están sujetas a la tensión de la fuerza centrífuga (las etapas de la turbina pueden girar a decenas de miles de revoluciones por minuto (RPM)) y a fuerzas de fluidos que pueden causar fallas por fractura , fluencia o fluencia [nb 1] . Además, la primera etapa (la etapa que sigue directamente a la cámara de combustión) de una turbina de gas moderna enfrenta temperaturas de alrededor de 2500 °F (1370 °C), [14] frente a temperaturas de alrededor de 1500 °F (820 °C) en las primeras turbinas de gas. [15] Los motores a reacción militares modernos, como el Snecma M88 , pueden alcanzar temperaturas de turbina de 2900 °F (1590 °C). [16] Esas altas temperaturas pueden debilitar las palas y hacerlas más susceptibles a fallas por fluencia. Las altas temperaturas también pueden hacer que las palas sean susceptibles a fallas por corrosión . [12] Finalmente, las vibraciones del motor y de la propia turbina pueden provocar fallos por fatiga . [13]
Un factor limitante en los primeros motores a reacción era el rendimiento de los materiales disponibles para la sección caliente (combustión y turbina) del motor. La necesidad de mejores materiales impulsó mucha investigación en el campo de las aleaciones y las técnicas de fabricación, y esa investigación dio como resultado una larga lista de nuevos materiales y métodos que hacen posibles las turbinas de gas modernas. [15] Uno de los primeros fue Nimonic , utilizado en los motores británicos Whittle .
El desarrollo de superaleaciones en la década de 1940 y nuevos métodos de procesamiento, como la fusión por inducción al vacío en la década de 1950, aumentaron considerablemente la capacidad de temperatura de los álabes de las turbinas. Otros métodos de procesamiento, como el prensado isostático en caliente, mejoraron las aleaciones utilizadas para las palas de las turbinas y aumentaron el rendimiento de las mismas. [15] Las palas de las turbinas modernas suelen utilizar superaleaciones a base de níquel que incorporan cromo , cobalto y renio . [13] [17]
Aparte de las mejoras en las aleaciones, un avance importante fue el desarrollo de métodos de producción de solidificación direccional (DS) y monocristal (SC). Estos métodos ayudan a aumentar en gran medida la resistencia contra la fatiga y la fluencia al alinear los límites de las fibras en una dirección (DS) o eliminando los límites de las fibras por completo (SC). La investigación sobre SC comenzó en la década de 1960 con Pratt y Whitney y tardó unos 10 años en implementarse. Una de las primeras implementaciones de DS fue con los motores J58 del SR-71 . [15] [18] [19]
Otra mejora importante en la tecnología de materiales de las palas de turbinas fue el desarrollo de recubrimientos de barrera térmica (TBC). Mientras que los desarrollos de DS y SC mejoraron la resistencia a la fluencia y la fatiga, los TBC mejoraron la resistencia a la corrosión y la oxidación, las cuales se convirtieron en mayores preocupaciones a medida que aumentaban las temperaturas. Los primeros TBC, aplicados en la década de 1970, fueron revestimientos de aluminuros . En la década de 1980 estuvieron disponibles revestimientos cerámicos mejorados. Estos recubrimientos aumentaron la capacidad de temperatura de las palas de la turbina en aproximadamente 200 °F (90 °C). [15] Los recubrimientos también mejoran la vida útil de las palas, casi duplicando la vida útil de las palas de las turbinas en algunos casos. [20]
La mayoría de las palas de las turbinas se fabrican mediante fundición a la cera perdida (o procesamiento a cera perdida). Este proceso implica hacer un troquel negativo preciso de la forma de la hoja que se llena con cera para formar la forma de la hoja. Si la cuchilla es hueca (es decir, tiene conductos de refrigeración internos), se inserta en el medio un núcleo cerámico con la forma del conducto. La hoja de cera se recubre con un material resistente al calor para formar una cáscara, y luego esa cáscara se llena con la aleación de la hoja. Este paso puede ser más complicado para materiales DS o SC, pero el proceso es similar. Si hay un núcleo de cerámica en el medio de la hoja, se disuelve en una solución que deja la hoja hueca. Las palas se recubren con un TBC y luego se mecanizan los orificios de enfriamiento. [21]
Se están desarrollando compuestos de matriz cerámica (CMC), en los que las fibras se incrustan en una matriz de cerámica derivada de polímeros , para su uso en álabes de turbinas. [22] La principal ventaja de las CMC sobre las superaleaciones convencionales es su peso ligero y su capacidad a altas temperaturas. Se ha demostrado que los compuestos de SiC/SiC que consisten en una matriz de carburo de silicio reforzada con fibras de carburo de silicio resisten temperaturas de funcionamiento entre 200° y 300 °F más altas que las superaleaciones de níquel. [23] GE Aviation demostró con éxito el uso de este tipo de palas compuestas de SiC/SiC para la turbina de baja presión de su motor a reacción F414 . [24] [25]
Nota: Esta lista no incluye todas las aleaciones utilizadas en los álabes de las turbinas. [26] [27]
A una relación de presión constante, la eficiencia térmica del motor aumenta a medida que aumenta la temperatura de entrada a la turbina (TET). Sin embargo, las altas temperaturas pueden dañar la turbina, ya que las palas están sometidas a grandes tensiones centrífugas y los materiales son más débiles a altas temperaturas. Por lo tanto, el enfriamiento de las palas de la turbina es esencial para las primeras etapas, pero dado que la temperatura del gas cae en cada etapa, no es necesario para etapas posteriores, como en la turbina de baja presión o en una turbina de potencia. [33] Los diseños actuales de turbinas modernas funcionan con temperaturas de entrada superiores a 1900 Kelvin, lo que se logra enfriando activamente los componentes de la turbina. [4]
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Las palas de las turbinas se enfrían mediante aire , excepto en el caso del uso limitado de refrigeración por vapor en una central eléctrica de ciclo combinado. La refrigeración por agua se ha probado exhaustivamente pero nunca se ha introducido. [34] La turbina de gas de clase "H" de General Electric ha enfriado palas giratorias y paletas estáticas utilizando vapor de una turbina de vapor de ciclo combinado, aunque en 2012 se informó que GE volvería a enfriar por aire para sus unidades "FlexEfficiency". [35] El enfriamiento líquido parece ser más atractivo debido a la alta capacidad calorífica específica y las posibilidades de enfriamiento por evaporación, pero puede haber fugas, corrosión, asfixia y otros problemas que van en contra de este método. [33] Por otro lado, la refrigeración por aire permite que el aire descargado entre al flujo principal sin ningún problema. La cantidad de aire necesaria para este fin es del 1 al 3 % del flujo principal y la temperatura de las aspas se puede reducir entre 200 y 300 °C. [33] Hay muchas técnicas de enfriamiento utilizadas en las palas de las turbinas de gas; convección , película, enfriamiento por transpiración, enfriamiento por efusión, enfriamiento con aletas, etc., que se incluyen en las categorías de enfriamiento interno y externo. Si bien todos los métodos tienen sus diferencias, todos funcionan utilizando aire más frío tomado del compresor para eliminar el calor de las palas de la turbina. [36]
Funciona haciendo pasar aire de refrigeración a través de conductos internos a la hoja. El calor se transfiere por conducción a través de la pala y luego por convección al aire que fluye dentro de la pala. Para este método es deseable una gran superficie interna, por lo que los recorridos de enfriamiento tienden a ser serpenteantes y estar llenos de pequeñas aletas. Los conductos internos de la pala pueden tener forma circular o elíptica. El enfriamiento se logra haciendo pasar el aire a través de estos conductos desde el cubo hacia la punta de la pala. Este aire de refrigeración proviene de un compresor de aire. En el caso de una turbina de gas, el fluido exterior está relativamente caliente, pasa a través del conducto de enfriamiento y se mezcla con la corriente principal en la punta de la pala. [36] [37]
Una variación del enfriamiento por convección, el enfriamiento por impacto , funciona golpeando la superficie interna de la pala con aire a alta velocidad. Esto permite que se transfiera más calor por convección que el enfriamiento por convección normal. El enfriamiento por impacto se utiliza en las regiones de mayores cargas de calor. En el caso de los álabes de turbina, el borde de ataque tiene la temperatura máxima y, por tanto, la carga térmica. El enfriamiento por impacto también se utiliza en la cuerda media de la paleta. Las hojas son huecas y tienen un núcleo. [38] Hay conductos de refrigeración internos. El aire de refrigeración entra desde la región del borde de ataque y gira hacia el borde de salida. [37]
El enfriamiento de película (también llamado enfriamiento de película delgada ), un tipo ampliamente utilizado, permite una mayor efectividad de enfriamiento que el enfriamiento por convección y por impacto. [39] Esta técnica consiste en bombear el aire de refrigeración fuera de la pala a través de múltiples pequeños agujeros o ranuras en la estructura. Luego se crea una fina capa (la película) de aire de refrigeración en la superficie externa de la pala, lo que reduce la transferencia de calor del flujo principal, cuya temperatura (1300-1800 kelvin ) puede exceder el punto de fusión del material de la pala (1300-1400). grados Kelvin). [40] [41] La capacidad del sistema de enfriamiento de la película para enfriar la superficie generalmente se evalúa utilizando un parámetro llamado efectividad de enfriamiento. Una mayor efectividad de enfriamiento (con un valor máximo de uno) indica que la temperatura del material de la cuchilla está más cerca de la temperatura del refrigerante. En lugares donde la temperatura de las aspas se acerca a la temperatura del gas caliente, la efectividad del enfriamiento se acerca a cero. La eficacia de la refrigeración se ve afectada principalmente por los parámetros del flujo de refrigerante y la geometría de inyección. Los parámetros del flujo de refrigerante incluyen las relaciones de velocidad, densidad, soplado y momento que se calculan utilizando las características del refrigerante y del flujo principal. Los parámetros de la geometría de inyección consisten en la geometría del orificio o ranura (es decir, orificios o ranuras con forma cilíndrica) y el ángulo de inyección. [4] [5] Un programa de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos a principios de la década de 1970 financió el desarrollo de una pala de turbina enfriada tanto por película como por convección, y ese método se ha vuelto común en las palas de turbina modernas. [15] Inyectar la purga del enfriador en el flujo reduce la eficiencia isentrópica de la turbina; la compresión del aire de refrigeración (que no aporta potencia al motor) conlleva una penalización energética; y el circuito de refrigeración añade una complejidad considerable al motor. [42] Todos estos factores deben compensarse con el aumento del rendimiento general (potencia y eficiencia) permitido por el aumento de la temperatura de la turbina. [43] En los últimos años, los investigadores han sugerido el uso de un actuador de plasma para enfriar la película. Roy y Wang propusieron por primera vez el enfriamiento de película de álabes de turbina mediante el uso de un actuador de plasma de descarga de barrera dieléctrica . [44] Se ha demostrado que un actuador de plasma en forma de herradura, que se coloca cerca de los orificios para el flujo de gas, mejora significativamente la eficacia de enfriamiento de la película. Siguiendo la investigación anterior, informes recientes que utilizan métodos tanto experimentales como numéricos demostraron el efecto de mejorar el enfriamiento en un 15% utilizando un actuador de plasma. [45] [46] [47]
La superficie de la pala está hecha de un material poroso, lo que significa que tiene una gran cantidad de pequeños orificios en la superficie. El aire frío se fuerza a través de estos agujeros porosos, lo que forma una película o capa límite más fría. Además, este enfriamiento uniforme es causado por la efusión del refrigerante sobre toda la superficie de la pala. [33]
En el borde de salida estrecho se utiliza refrigeración por película para mejorar la transferencia de calor desde la pala. Hay una serie de aletas en la superficie de la hoja. La transferencia de calor se produce desde esta matriz y a través de las paredes laterales. A medida que el refrigerante fluye a través de las aletas a alta velocidad, el flujo se separa y se forman estelas. Muchos factores contribuyen a la tasa de transferencia de calor, entre los cuales el tipo de aleta del pasador y el espacio entre las aletas son los más importantes. [38]
Esto es similar al enfriamiento por película en el sentido de que crea una fina película de aire de enfriamiento en la pala, pero es diferente en que el aire se "filtra" a través de una capa porosa en lugar de inyectarse a través de orificios. Este tipo de enfriamiento es efectivo a altas temperaturas ya que cubre uniformemente toda la pala con aire frío. [37] [48] Las palas enfriadas por transpiración generalmente consisten en un puntal rígido con una carcasa porosa. El aire fluye a través de los canales internos del puntal y luego pasa a través de la cubierta porosa para enfriar la pala. [49] Al igual que con el enfriamiento de película, el aumento del aire de enfriamiento disminuye la eficiencia de la turbina, por lo tanto, esa disminución debe equilibrarse con un mejor rendimiento de temperatura. [43]
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