TRANSMISIÓN DE CALOR EN ALABES REFRIGERADOS POR CONVECCIÓN (I)

El aire refrigerante aumenta su temperatura a medida que discurre por el álabe, y resulta menos efectivo para la refrigeración, con lo que la temperatura del álabe crecerá de la base a la cabeza, existiendo una cierta conducción de calor a lo largo del álabe, que entra y sale del elemento dx debido a dicho gradiente de temperatura en sentido longitudinal. Dado que las aleaciones de los álabes de las turbinas poseen una baja conductividad térmica, el término debido a la conducción es comparativamente pequeño y se puede despreciar.
El balance calorífico para dicha longitud diferencial permite determinar el gasto másico interior de aire refrigerante Ga en la forma:

TRANSMISIÓN DE CALOR EN ALABES REFRIGERADOS POR CONVECCIÓN

Para expresar el comportamiento de la refrigeración unidimensional de álabes por convección se suele utilizar un parámetro denominado temperatura relativa del álabe definido en la forma:

Para calcular el gasto de aire refrigerante requerido para una temperatura media del álabe, consideraremos el flujo calorífico que entra y sale de una longitud elemental del álabe dx a una distancia x de la base, Fig VII.7.

Refrigeración por transpiración

Es una generalización del caso anterior que aumenta su efectividad; el álabe se fabrica de material poroso para establecer una película continúa de aire sobre toda la superficie del mismo. La uniformidad de la película es el factor principal que reduce la cantidad de calor que los gases pueden transferir al metal; para una refrigeración efectiva, los poros han de ser pequeños, pero este hecho puede ocasionar la posible obturación de los mismos debido a oxidación o a materias extrañas.
Se puede comparar el potencial de cada uno de los métodos de refrigeración descritos, si se determina la cantidad de aire que necesita cada uno de ellos para mantener un cierto nivel térmico del álabe, en determinadas condiciones operativas.
La refrigeración por convección libre es complicada debido a que el metal conduce rápidamente el calor y las paredes interiores del álabe se acercan a la temperatura que posee el refrigerante. Si se aumenta la temperatura de entrada de los gases en la turbina, se precisan mayores cantidades de aire de refrigeración y se puede llegar a una situación en que el método se haga impracticable, situación que también se presenta cuando se produce un aumento de la relación de compresión, que implica el aumento del coeficiente de película con la presión.
En la refrigeración por película o por transpiración, la presencia de una capa de aire aislante entre el gas y el metal reduce el flujo de calor hacia la superficie del álabe (para cualquier valor de la temperatura de entrada a la turbina); la relación de compresión en estos casos influye poco.

Para una temperatura del gas de Tgas= 1375ºC, y una del metal de Tmetal= 1095ºC, la multiperforación el álabe consume en el sistema de convección del orden del 80% del caudal de refrigerante necesario y en la transpiración del orden del 55%; pero si se tiene en cuenta la oxidación de los materiales utilizados en la transpiración, su temperatura de admisión disminuye, 870ºC, y el sistema consume del orden del 120% del caudal de aire necesario en el sistema de convección.
El diseño de la refrigeración de los álabes para trabajar a elevadas temperatura, puede combinar varios de los sistemas anteriormente comentados, Fig VII.6.

Refrigeración por película de aire

Consiste en la formación de una película de aire refrigerante sobre una o varias zonas de la pared exterior del álabe expuestas a los gases, que se pierde rápidamente porque termina mezclándose con éstos; para conseguir una refrigeración eficaz, tiene que renovarse continuamente por medio de sucesivas ranuras de inyección. Este es, posiblemente, el mejor sistema de refrigeración del álabe, que tiene la ventaja de reducir el gradiente de temperaturas en las paredes de los
álabes, y el inconveniente de que puede perturbar el desarrollo del flujo en el canal de paso.
Si en la capa límite se inyecta aire en exceso o si su velocidad es demasiado grande, el aire refrigerante la atraviesa y produce pérdidas adicionales en el álabe. El sistema asegura una fuerte evacuación de calor, ya que cuando la corriente de aire frío atraviesa los agujeros de paso, puede producir zonas frías que actúan como focos de concentración de tensiones con el consiguiente aumento de la fatiga de los álabes; el efecto de refrigeración de la película es disipado rápidamente aguas abajo por la mezcla con los gases calientes. El aire utilizado en este tipo de refrigeración debe encontrarse a alta presión, lo cual no siempre es posible, particularmente en los bordes de ataque de la primera corona de toberas.

Refrigeración por impacto

Consiste en proyectar un chorro de aire hacia la pared a refrigerar. El aire circula en sentido radial por el núcleo del álabe y va fluyendo a través de una serie de agujeros de forma que el chorro incida sobre la pared interna del álabe, generalmente en la zona correspondiente al borde de ataque; el impacto del chorro proporciona un buen coeficiente de intercambio de calor. Sin embargo, hay que tener en cuenta las interacciones del chorro de gases calientes cuando el aire refrigerante se evacúa por agujeros situados en la pared próximos a la zona de impacto, lo que podría modificar de manera importante el valor del coeficiente de intercambio. La utilización de la refrigeración por impacto supone la existencia de paredes interiores en el álabe para poder asegurar la distribución de los chorros.

Convección forzada

El aire circula por canales cilíndricos practicados en el álabe o por canales de sección más compleja, Fig VII.4, que permiten aumentar la superficie de intercambio de calor, para una sección de paso dada. Todo lo que perturba la capa límite de refrigeración, como surcos, creación de efecto aleta, etc, tiende a la mejora del coeficiente de transmisión de calor; el inconveniente radica en que duplicar el coeficiente de transmisión de calor, supone un aumento de cuatro veces el coeficiente de pérdida de carga.

REFRIGERACIÓN POR AIRE

La refrigeración por aire se puede hacer de las siguientes formas:
- Convección libre
- Convección forzada
- Refrigeración por impacto
- Refrigeración por película
- Transpiración
El aire se extrae del compresor y circula por pasos interiores practicados en el disco y en los álabes de la turbina. Los cuatro primeros métodos se aplican en la actualidad en máquinas avanzadas que trabajan con elevadas temperaturas de entrada en la turbina. El método de transpiración que requiere álabes de material poroso, se encuentra en fase experimental.
Convección libre.- El calor que los gases de combustión ceden a los álabes se conduce, a través de los mismos, hasta el aire de refrigeración que circula por su interior; el calor cedido depende de la superficie de contacto que los circuitos internos del álabe exponen al refrigerante. El grado de refrigeración obtenido
depende de la diferencia de temperaturas entre el metal y el aire interior.