Un álabe 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 un rotor de turbina. [2] Cada disco de turbina tiene muchos álabes. Como tales, se utilizan en motores de turbina de gas y turbinas de vapor . Los álabes son responsables de extraer energía del gas a alta temperatura y alta presión producido por la cámara de combustión . Los álabes de turbina son a menudo el componente limitante de las turbinas de gas. [3] Para sobrevivir en este difícil entorno, los álabes de turbina a menudo utilizan 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 los álabes es una fuente importante de fallas en las turbinas de vapor y las turbinas de gas. La fatiga es causada por la tensión inducida por la vibración y la resonancia dentro del rango operativo de la maquinaria. Para proteger los álabes de estas altas tensiones dinámicas, se utilizan amortiguadores de fricción. [7]
Las palas de las turbinas eólicas y de las turbinas hidráulicas están diseñadas para funcionar en condiciones diferentes, 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 álabes guía de tobera delante de las palas. La turbina está conectada a un compresor mediante un eje (el conjunto giratorio completo a veces llamado "carrete"). El aire se comprime, lo que aumenta la presión y la temperatura, a medida que pasa a través del 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, lo que reduce la presión y la temperatura del gas y transfiere la energía cinética al compresor. La forma en que funciona la turbina es similar a cómo funciona el compresor, solo que a la inversa, en lo que respecta al intercambio de energía entre el gas y la máquina, por ejemplo. 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 la salida (turbina). [8]
En el caso de un motor de turbofán, el número de etapas de la turbina necesarias para accionar el ventilador aumenta con la relación de derivación [9], a menos que se pueda aumentar la velocidad de la turbina añadiendo una caja de cambios 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 el diseño de los álabes 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, añadiendo un carrete de presión intermedia entre el carrete de alta y el de 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 a aire más frío y de menor presión. La diferencia de condiciones conduce al diseño de álabes de turbina de alta y baja presión que son significativamente diferentes en cuanto a las opciones de material y refrigeración, aunque los principios aerodinámicos y termodinámicos son los mismos. [11] En estas severas condiciones de funcionamiento en el interior de las turbinas de gas y de vapor, los álabes se enfrentan a altas temperaturas, altas tensiones y, potencialmente, a altas vibraciones. Los álabes 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 rotatorio del eje de la turbina. [12]
Los álabes de las turbinas están sometidos a entornos muy exigentes en el interior de una turbina de gas. Se enfrentan a altas temperaturas, altas tensiones y un entorno potencial de alta vibración. Estos tres factores pueden provocar fallos en los álabes, lo que podría destruir el motor; por lo tanto, los álabes de las turbinas están cuidadosamente diseñados para resistir estas condiciones. [13]
Las palas de turbina están sujetas a tensión por la fuerza centrífuga (las etapas de la turbina pueden girar a decenas de miles de revoluciones por minuto (RPM)) y fuerzas de fluidos que pueden causar fracturas , fluencia o fallas por 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] en comparación con las 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 ver 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 la turbina en sí pueden causar fallas por fatiga . [13]
Un factor limitante en los primeros motores a reacción era el rendimiento de los materiales disponibles para la sección caliente (cámara de 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 de estos fue el Nimonic , utilizado en los motores Whittle británicos .
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 enormemente la capacidad de temperatura de los álabes de turbina. Otros métodos de procesamiento como el prensado isostático en caliente mejoraron las aleaciones utilizadas para los álabes de turbina y aumentaron el rendimiento de los álabes de turbina. [15] Los álabes de turbina modernos a menudo utilizan superaleaciones a base de níquel que incorporan cromo , cobalto y renio . [13] [17]
Aparte de las mejoras en las aleaciones, un gran avance fue el desarrollo de los 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 alineando los límites de grano en una dirección (DS) o eliminando los límites de grano 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 los materiales de las palas de turbina fue el desarrollo de los recubrimientos de barrera térmica (TBC). Mientras que los desarrollos de DS y SC mejoraron la resistencia a la fatiga y a la fluencia, los TBC mejoraron la resistencia a la corrosión y a la oxidación, dos cuestiones que se convirtieron en preocupaciones mayores a medida que aumentaban las temperaturas. Los primeros TBC, aplicados en la década de 1970, fueron recubrimientos de aluminuro . En la década de 1980 se empezaron a comercializar recubrimientos cerámicos mejorados. Estos recubrimientos aumentaron la capacidad de temperatura de las palas de turbina en unos 200 °F (90 °C). [15] Los recubrimientos también mejoran la vida útil de las palas, casi duplicando la vida útil de las palas de turbina en algunos casos. [20]
La mayoría de las palas de turbina se fabrican mediante fundición a la cera perdida. Este proceso implica hacer un molde negativo preciso de la forma de la pala que se llena con cera para formar la forma de la pala. Si la pala es hueca (es decir, tiene conductos de refrigeración internos), se inserta un núcleo cerámico con la forma del conducto en el medio. La pala de cera se recubre con un material resistente al calor para formar una carcasa, y luego esa carcasa se llena con la aleación de la pala. Este paso puede ser más complicado para los materiales DS o SC, pero el proceso es similar. Si hay un núcleo cerámico en el medio de la pala, se disuelve en una solución que deja la pala hueca. Las palas se recubren con un TBC y luego se mecanizan los orificios de refrigeración. [21]
Los compuestos de matriz cerámica (CMC), en los que las fibras están incrustadas en una matriz de cerámica derivada de polímeros , se están desarrollando para su uso en álabes de turbinas. [22] La principal ventaja de los CMC sobre las superaleaciones convencionales es su peso ligero y su capacidad para 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 de 200°-300 °F más altas que las superaleaciones de níquel. [23] GE Aviation demostró con éxito el uso de tales álabes compuestos 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 las palas de 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, la refrigeración de las palas de la turbina es esencial para las primeras etapas, pero como la temperatura del gas desciende en cada etapa, no es necesaria para las etapas posteriores, como en la turbina de baja presión o una turbina de potencia. [33] Los diseños de turbinas modernas actuales 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 turbina se enfrían utilizando aire, excepto para el uso limitado de enfriamiento con vapor en una planta de energía de ciclo combinado. El enfriamiento por agua se ha probado ampliamente, pero nunca se ha introducido. [34] La turbina de gas de clase "H" de General Electric ha enfriado las palas giratorias y los álabes estáticos utilizando vapor de una turbina de vapor de ciclo combinado, aunque se informó que GE en 2012 volvería a la refrigeración por aire para sus unidades "FlexEfficiency". [35] La refrigeración por líquido parece ser más atractiva debido a la alta capacidad calorífica específica y las posibilidades de enfriamiento por evaporación, pero puede haber fugas, corrosión, estrangulamiento y otros problemas que funcionan en contra de este método. [33] Por otro lado, la refrigeración por aire permite que el aire descargado ingrese al flujo principal sin ningún problema. La cantidad de aire requerida para este propósito es del 1 al 3 % del flujo principal y la temperatura de las palas se puede reducir en 200 a 300 °C. [33] Hay muchas técnicas de refrigeración utilizadas en las palas de turbinas de gas; convección , película, enfriamiento por transpiración, efusión de enfriamiento, enfriamiento por aletas de pasador, 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 aspas de la turbina. [36]
Funciona haciendo pasar aire de refrigeración a través de conductos internos a la pala. [37] El calor se transfiere por conducción a través de la pala, y luego por convección al aire que fluye dentro de la pala. Una gran superficie interna es deseable para este método, por lo que los caminos de refrigeración tienden a ser serpentinos y llenos de pequeñas aletas. Los conductos internos en la pala pueden tener forma circular o elíptica. El enfriamiento se logra haciendo pasar el aire a través de estos conductos desde el buje hacia la punta de la pala. Este aire de refrigeración proviene de un compresor de aire. En el caso de la turbina de gas, el fluido exterior está relativamente caliente, lo que pasa a través del conducto de refrigeración y se mezcla con la corriente principal en la punta de la pala. [36] [38]
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 regular. El enfriamiento por impacto se utiliza en las regiones de mayores cargas térmicas. En el caso de las palas de turbina, el borde de ataque tiene la temperatura máxima y, por lo tanto, la carga térmica. El enfriamiento por impacto también se utiliza en la cuerda media de la paleta. Las palas son huecas con un núcleo. [39] Hay pasajes de enfriamiento internos. El aire de enfriamiento ingresa desde la región del borde de ataque y gira hacia el borde de salida. [38]
El enfriamiento por película (también llamado enfriamiento por película delgada ), un tipo ampliamente utilizado, permite una mayor efectividad de enfriamiento que el enfriamiento por convección y por impacto. [40] Esta técnica consiste en bombear el aire de enfriamiento fuera de la pala a través de múltiples agujeros o ranuras pequeñas en la estructura. Luego se crea una capa delgada (la película) de aire de enfriamiento en la superficie externa de la pala, lo que reduce la transferencia de calor del flujo principal, cuya temperatura (1300-1800 kelvins ) puede superar el punto de fusión del material de la pala (1300-1400 kelvins). [41] [42] La capacidad del sistema de enfriamiento por película para enfriar la superficie se evalúa típicamente 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 pala está más cerca de la temperatura del refrigerante. En lugares donde la temperatura de la pala se acerca a la temperatura del gas caliente, la efectividad de enfriamiento se acerca a cero. La efectividad de enfriamiento se ve afectada principalmente por los parámetros del flujo del refrigerante y la geometría de inyección. Los parámetros de flujo de refrigerante incluyen la velocidad, densidad, soplado y proporciones de momento que se calculan utilizando las características del flujo de refrigerante y corriente principal. Los parámetros de geometría de inyección consisten en geometría de orificio o ranura (es decir, orificios o ranuras cilíndricos, con forma) y 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 un álabe de turbina que se enfriaba tanto por película como por convección, y ese método se ha vuelto común en los álabes de turbina modernos. [15] Inyectar el sangrado del enfriador en el flujo reduce la eficiencia isentrópica de la turbina; la compresión del aire de enfriamiento (que no contribuye con potencia al motor) incurre en una penalización energética; y el circuito de enfriamiento agrega una complejidad considerable al motor. [43] Todos estos factores deben compensarse con el aumento del rendimiento general (potencia y eficiencia) permitido por el aumento de la temperatura de la turbina. [44] En los últimos años, los investigadores han sugerido el uso de un actuador de plasma para el enfriamiento de película. El enfriamiento de película de los álabes de la turbina mediante un actuador de plasma de descarga de barrera dieléctrica fue propuesto por primera vez por Roy y Wang. [45] 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 mejora del enfriamiento en un 15 % utilizando un actuador de plasma. [46] [47] [48]
La superficie de la pala está hecha de material poroso, lo que significa que tiene una gran cantidad de pequeños orificios en la superficie. El aire de refrigeración se fuerza a través de estos orificios porosos que forman una película o capa límite más fría. Además, este enfriamiento uniforme se produce 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 de pasador en la superficie de la pala. La transferencia de calor se produce desde esta serie 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 de pasador y el espaciado entre aletas son los más significativos. [39]
Este tipo de refrigeración es similar a la refrigeración por película, ya que crea una fina película de aire refrigerante sobre la pala, pero se diferencia en que el aire se "filtra" a través de una carcasa porosa en lugar de inyectarse a través de orificios. Este tipo de refrigeración es eficaz a altas temperaturas, ya que cubre uniformemente toda la pala con aire frío. [38] [49] Las palas refrigeradas por transpiración generalmente constan de un puntal rígido con una carcasa porosa. El aire fluye a través de canales internos del puntal y luego pasa a través de la carcasa porosa para enfriar la pala. [50] Al igual que con la refrigeración por película, el aumento del aire refrigerante disminuye la eficiencia de la turbina, por lo que esa disminución debe equilibrarse con un mejor rendimiento de la temperatura. [44]
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