Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
CFD

Migliorare l’efficienza di raffreddamento delle turbine a gas attraverso l’esplorazione dello spazio di progetto

Jens Dickhoff (B&B-AGEMA) Masahide Kazari e Ryozo Tanaka (Kawasaki Heavy Industries)

L’individuazione di metodologie per aumentare le temperature all’uscita del combustore e all’ingresso della turbina ad alta pressione è fondamentale per incrementare l’efficienza delle turbine a gas. Temperature di esercizio più elevate mettono però a rischio l’integrità dei componenti della turbina ad alta pressione, in particolare delle pale statoriche e rotoriche, poiché le temperature di ingresso dello stadio delle turbine moderne superano il punto di fusione dei materiali utilizzati per le pale. Per evitare questo rischio, nella progettazione delle pale delle turbine è stata adottata una tecnica nota come film cooling.

Stampa pdf rivista

Nel film cooling, l’aria fredda spillata dal compressore e immessa nelle camere interne delle pale rotoriche e statoriche, fuoriesce da piccoli fori presenti sulle pareti delle pale. Quest’aria costituisce un sottile strato isolante lungo la superficie delle pale.
La turbina a gas L30A di Kawasaki Heavy Industries (KHI) è la più efficiente al mondo nella sua classe di potenza da 30 megawatt. La L30A è stata sviluppata da KHI con il supporto di B&B-AGEMA GmbH, un’azienda di servizi ingegneristici con sede ad Aachen, in Germania, specializzata nella progettazione di macchine e impianti per la conversione dell’energia, in particolare componenti di turbine a gas. Lo scambio termico coniugato o CHT (Conjugate Heat Transter), una tecnica CFD per determinare il flusso termico tra un corpo solido e un gas o un liquido che scorre sopra di esso o al suo interno, è una delle competenze specifiche dell’azienda, che ha collaborato a stretto contatto con Siemens PLM per simulare il flusso dei fluidi in 3D ed esplorare nuovi metodi CHT.
La collaborazione tra B&B-AGEMA e KHI è iniziata negli anni ‘90, quando KHI si rivolse a B&B-AGEMA per applicare i metodi CHT al fine di migliorare il raffreddamento interno delle pale delle turbine. B&B-AGEMA sviluppò una nuova tecnologia di film cooling che, invece dei convenzionali fori cilindrici, utilizzava fori a ventaglio per dirigere il flusso dei getti d’aria, aumentando così la loro efficienza di raffreddamento.

 

Figura 1- Simulazione CFD del raffreddamento di una pala di una turbina a gas che illustra a) uno spaccato della pala, b) il percorso e le linee di flusso dell’aria di raffreddamento c) la temperatura della superficie della pala

Figura 2 - La L30A al banco di prova per turbine a gas presso il Kawasaki Akashi Plant, Giappone

In particolare, a partire dagli anni 2000, B&B-AGEMA ha utilizzato i metodi CFD per le simulazioni di film cooling (1999-2002) e ha utilizzato una tecnica nota come double jet film cooling (1999) nonché la tecnologia di film cooling Nekomimi descritta di seguito (2008). Questo lavoro si basava sul riconoscimento da parte di KHI che ulteriori sviluppi tecnologici avrebbero richiesto modellazione termofluidica, simulazioni ed esplorazione dello spazio di progetto.

Figura 3 - Geometrie di fori per film cooling: cilindrico (in alto), a ventaglio (al centro), nekomimi (in basso)

 

Per alcuni anni, B&B-AGEMA e KHI hanno utilizzato STAR-CCM+® con un’esplorazione dello spazio di progetto manuale (lenta e iterativa) per studiare l’efficienza di raffreddamento di fori di diverse forme per le pale delle turbine a gas, compresa quella che le due aziende soprannominarono nekomimi, che in giapponese significa “orecchie di gatto”, come suggerisce la forma dei fori. Il dominio computazionale usato per calcolare l’efficienza del raffreddamento di diverse forme di fori (Figura 4) consiste in un condotto a flusso incrociato e un plenum per la mandata del refrigerante collegati tramite il foro per il film cooling.

 

 

Figura 4 - Dominio computazionale usato per testare virtualmente l’efficienza di raffreddamento di fori di diverse forme

 

Le pareti laterali sono definite come piani di simmetria, in modo da rappresentare una fila di fori di raffreddamento, tipica nelle applicazioni per turbine a gas. Il plenum fornisce l’aria di raffreddamento al foro per il film cooling. L’efficienza adiabatica del film cooling è stata mediata sulla superficie evidenziata in rosso. La larghezza e la lunghezza del dominio sono le stesse per tutte le configurazioni: ciò permette il confronto tra fori di design differente con portate di refrigerante simili, dal momento che viene utilizzata la stessa quantità d’aria per unità di superficie per il raffreddamento. Come mostrato in Figura 5 per un confronto in particolare, un foro nekomimi ha un’efficienza di raffreddamento simile a quella di un foro a ventaglio di dimensioni simili con una portata d’aria significativamente inferiore.

 

 

Figura 5 - Confronto di efficienza di raffreddamento e portata di massa tra un foro nekomimi e uno a ventaglio

Si noti che su una scala normalizzata da 0 a 1 tipicamente usata per l’efficienza di raffreddamento, rosso=1 (migliore) e viola=0 (peggiore).
Il risultato è stato un sensibile miglioramento dal 200 al 300 percento per i design con nekomimi rispetto ai fori con la forma di riferimento: la tecnologia è stata brevettata da KHI e B&B-AGEMA.

Figura 6 - L’efficienza del film cooling è migliorata di oltre il 200 percento dal foro a ventaglio alla migliore variazione di nekomimi


Come funziona il film cooling per le turbine a gas e i vantaggi dei foro nekomimi


L’aria utilizzata nel film cooling per le turbine a gas viene prelevata dal compressore ad alta pressione della turbina. In questo modo, se si aumenta la quantità d’aria per il raffreddamento, diminuisce l’efficienza termica della turbina. Inoltre, il film cooling produce perdite per miscelazione e una riduzione della temperatura totale nel passaggio di gas caldo della turbina. È possibile contrastare queste fonti di inefficienza riducendo la quantità d’aria di raffreddamento necessaria e realizzando una distribuzione di temperatura omogenea. L’iniezione del fluido di raffreddamento attraverso un foro porta a un “getto nel flusso incrociato”, come mostrato in Figura 7. Strutture secondarie di flusso, compresi vortici rotanti, vengono generati per interazione tra il getto del refrigerante e il flusso incrociato, e possono diminuire l’efficienza del raffreddamento.

 

Figura 7: Ciascun foro di raffreddamento immette un getto nel flusso incrociato

Si può rimediare a questi problemi utilizzando un foro di uscita con una forma non rotonda, che riduce il rapporto tra il flusso della quantità di moto del refrigerante e del flusso incrociato all’uscita del foro di raffreddamento (causato dal rallentamento del flusso all’interno del diffusore del foro), e l’effetto Coanda che permette al flusso di abbracciare la parete dietro il foro.
Per ridurre la miscelazione tra il refrigerante e il gas caldo, e preservare uno strato di raffreddamento vicino alla superficie della pala della turbina, nel 1999 gli ingegneri di B&B-AGEMA hanno introdotto la tecnologia “double jet film cooling” (DJFC).

 

La tecnologia nekomimi

Figura 8: Double jet film cooling

 

Nel 2008, B&B-AGEMA ha introdotto un nuovo design per i fori, derivata dal concetto DJFC: la tecnologia nekomimi. I due fori cilindrici della double jet film cooling sono stati combinati in un singolo foro per superare l’inefficienza della mandata d’aria.
Questo è stato ottenuto portando i fori della configurazione DJFC nella stessa posizione lungo il flusso (Figura 9, passo 1) unendo i fori (Figura 9, passo 2) e sostituendo i due fori di mandata con un singolo centrale (Figura 9, passo 3).

 

 

Figura 9: Concetto del design nekomimi : a) Passo 1 (DJFC) b) Passo 2 c) Passo 3 (nekomimi)

Esplorazione progettuale automatizzata per la forma nekomimi

B&B-AGEMA e KHI hanno recentemente deciso di automatizzare la ricerca progettuale utilizzando HEEDS, un software di esplorazione dello spazio di progetto e ottimizzazione prodotto da Red Cedar Technology, società controllata da Siemens PLM, e il modulo aggiuntivo Optimate+TM per STAR-CCCM+ basato su HEEDS. Questo cambiamento rende possibile valutare centinaia di design nel tempo che sarebbe richiesto per valutarne solo alcuni, confrontando metodicamente un gran numero di tradizionali design di fori a ventaglio con fori nekomimi.
Gli ingegneri di KHI e B&B-AGEMA hanno collaborato con Siemens PLM per eseguire una ricerca intelligente e automatizzata nel panorama progettuale per identificare i design nekomimi che soddisfano due obiettivi contrastanti: bassa portata di massa di refrigerante e alta efficienza adiabatica del film cooling nella sezione studiata. I parametri che definiscono la forma dei fori nekomimi (Figura 10) sono stati variati tra 349 simulazioni dinamiche per determinare il fronte di Pareto dei design che rappresenta il miglior compromesso tra i due obiettivi.

 

 

Figura 10 - Parametri di design nekomimi (sinistra); parametri del foro a ventaglio di riferimento (destra)

Figura 10 - Parametri di design nekomimi (sinistra); parametri del foro a ventaglio di riferimento (destra)

Inoltre, è stato esplorato il panorama dei semplici fori a ventaglio in 299 simulazioni come riferimento per dimostrare i vantaggi della tecnologia nekomimi.

Procedura della ricerca progettuale
Per il processo di esplorazione progettuale automatica del design è stato usato Optimate+, STAR-CCM+ per le simulazioni del movimento dei fluidi e del trasferimento di calore e per la modellazione geometrica dei fori a ventaglio, Siemens NX per la modellazione geometrica parametrica dei fori nekomimi e HEEDS Post per la visualizzazione e l’interpretazione dei risultati, riassunti in Figura 11.

 

Figura 11 - Procedura automatizzata di esplorazione progettuale

Optimate+ seleziona una serie di parametri di progetto e chiede al modellatore CAD di generare la geometria aggiornata. Quindi Optimate+ indica a STAR-CMM+ di importare la nuova geometria, creare automaticamente una discretizzazione opportuna del dominio della soluzione e simulare il flusso del fluido e il trasferimento di calore. Optimate+ interagisce attivamente con l’ingegnere fornendo i risultati delle simulazioni e le caratteristiche di prestazione previste attraverso uno strumento di visualizzazione chiamato HEEDS Post.
Optimate+ utilizza i risultati delle prestazioni per selezionare una nuova serie di variabili per la forma del foro e ripete il processo per trovare design più performanti utilizzando un numero limitato di valutazioni. L’ingegnere ha anche la possibilità di indirizzare la ricerca chiedendo la valutazione di design specifici sulla base del suo intuito.

Risultati dell’esplorazione progettuale

I fronti di Pareto illustrati in Figura 12 mostrano i migliori risultati possibili per i fori nekomimi(linea blu tratteggiata) e a ventaglio (linea rossa tratteggiata).

 

Figura 12 - Efficienza del film cooling per tutti i design dei fori nekomimi e a ventaglio testati

Questi fronti indicano che la tecnologia nekomimi ha un’efficienza di film cooling mediata sullo spazio significativamente migliore per portate di massa comprese tra 8 g/s e 17 g/s. Al di sotto e al di sopra di questo intervallo, i diversi fori raggiungono valori di efficienza di raffreddamento comparabili.
Inoltre, l’analisi delle due serie rappresentative dei risultati della simulazione (rettangoli neri tratteggiati), mostrano che nel caso dei fori di raffreddamento a ventaglio, quando i parametri di progetto non vengono scelti accuratamente, vortici controrotanti dominano le strutture di flusso secondarie e peggiorano l’efficienza di raffreddamento.
Al contrario, la forma nekomimi garantisce un raffreddamento efficiente in un’ampia gamma di parametri di progetto.
Questo approccio innovativo rende possibile costruire un database dei migliori design dei fori di raffreddamento nekomimi per una varietà di rapporti di pressione e di portate di massa del refrigerante. Da questo database, gli ingegneri che si occupano della progettazione di sistemi di raffreddamento possono selezionare il design migliore per ottenere l’efficienza di raffreddamento più elevata e diminuire il consumo d’aria di raffreddamento (Figura 12 e 13).

 

Figura 13 - Fronte di Pareto dei migliori design nekomimi, risultato di un compromesso tra efficienza di film cooling più elevata e portata di massa del refrigerante più bassa

Questo studio migliora la conoscenza di base dei fenomeni di flusso secondari e il loro effetto sull’efficienza di raffreddamento per tutti i tipi di fori utilizzati per film cooling. Inoltre, lo studio testimonia il valore dell’esplorazione dello spazio di progetto automatizzata per risolvere un’ampia gamma di problemi ingegneristici standard.

 

 

« Indice del n. 77