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La tecnica PSP applicata allo studio del raffreddamento a film in galleria del vento

È ben noto come il raffreddamento del primo stadio delle turbine a gas sia uno dei fattori fondamentali che consentono alle stesse di operare a temperature estremamente elevate, oggi dell’ordine dei 1500°C. Tra le tecniche utilizzate, il raffreddamento a film ricopre un ruolo importante nel preservare l’integrità delle superfici esposte ai gas caldi provenienti dal combustore, pale e pareti di estremità. Esso consiste nell’iniettare un fluido refrigerante, tipicamente aria prelevata dal compressore, attraverso fori e feritoie realizzate lungo le superfici da proteggere, in modo da creare un film protettivo tra le pareti stesse e i gas caldi.

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La Termotecnica, novembre 2017

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Tecnica 62 LA TERMOTECNICA NOVEMBRE 2017 Turbomacchine & Misure INTRODUZIONE
ben noto come il raffreddamento del primo stadio delle turbine a gas
sia uno dei fattori fondamentali che consentono alle stesse di operare a
temperature estremamente elevate, oggi dell'ordine dei 1500C. Tra le
tecniche utilizzate, il raffreddamento a film ricopre un ruolo importante
nel preservare l'integrit delle superfici esposte ai gas caldi provenienti
dal combustore, pale e pareti di estremit. Esso consiste nell'iniettare
un fluido refrigerante, tipicamente aria prelevata dal compressore,
attraverso fori e feritoie realizzate lungo le superfici da proteggere,
in modo da creare un film protettivo tra le pareti stesse e i gas caldi.
Il principale parametro che caratterizza le prestazioni di un sistema
di raffreddamento a film l'efficacia adiabatica di raffreddamento,
cos definita: essendo T aw la temperatura della parete, assunta adiabatica, T8 la tempe- ratura del flusso esterno e T c quella del refrigerante. Tradizionalmente tale parametro viene misurato attraverso l'utilizzo di tecniche di misura basate
sul trasferimento di calore, quali la termometria a raggi infrarossi (IR) e i
cristalli liquidi termocromici (TLC). Queste tecniche di misura necessitano
di un allestimento degli esperimenti mirato a eliminare, o comunque
ridurre al massimo, l'insorgere di fenomeni conduttivi. L'insorgere di tali
fenomeni, particolarmente severi intorno ai fori, un problema difficil-
mente evitabile in geometrie complesse, riducendo l'accuratezza delle
tecniche basate sul trasferimento del calore. La tecnica PSP permette di
ovviare a questo problema, consentendo di ottenere dati senza effetti di
conduzione anche vicino ai fori. Ci grazie alla sua caratteristica di essere
un metodo basato sul trasporto di massa e non sullo scambio termico. Le
PSP sono composte da una sostanza luminescente dispersa in un legante
permeabile all'ossigeno. Il loro funzionamento si basa sul fenomeno del
Quenching dell'ossigeno. Se eccitate dall'assorbimento di luce ad una
specifica lunghezza d'onda, tipicamente nell'UV, esse ritornano allo stato
fondamentale emettendo luce ad una diversa lunghezza d'onda, di solito nella porzione rossa dello spettro. L'intensit della radiazione emessa in-
versamente proporzionale alla concentrazione di ossigeno, e quindi alla
sua pressione parziale, come esplicitato dalla legge di Stern-Volmer [1]: dove I ref e I rappresentano rispettivamente l'intensit dell'emissione alla pressione di riferimento (ambiente) P ref e quella alla generica pressione P, mentre A e B sono dei coefficienti funzione della pressione e della
temperatura. Quando l'analogia tra trasferimento di calore e trasporto
di massa verificata, cio quando il numero di Lewis circa uno,
stato dimostrato [2-6] che l'efficacia adiabatica di raffreddamento a
film pu essere riscritta come: dove cO 2,fg e cO2,aria rappresentano la concentrazione di O2 utilizzando rispettivamente un gas che non contiene ossigeno (ad esempio N 2) ed aria come refrigerante. Quando il peso molecolare del gas senza
ossigeno simile all'aria (come nel caso dell'N 2), l'equazione (3) pu essere riscritta come: I rapporti di pressione che compaiono nell'equazione (4) devono essere
ottenuti dalla curva di calibrazione delle PSP che a sua volta pu essere
derivata dall'eq. (2) considerando che A e B sono funzione essi stessi
della pressione e della temperatura: Zhang e Fox [1] furono i primi ad utilizzare le PSP in questo ambito. Da
allora le PSP hanno trovato un ampio utilizzo per il rilievo dell'efficacia
adiabatica di raffreddamento a film sia su modelli semplificati [2-3], di H. Abdeh, M. Miranda, S. Rouina, G. Barigozzi La tecnica PSP applicata allo studio del
raffreddamento a film in galleria del vento
L' articolo descrive l'utilizzo della tecnica delle Binary PSP per lo studio del raffreddamento a film di componenti di turbina a gas in galleria del vento.
Vengono presentati il banco di calibrazione e i risultati della validazione condotta su lastra piana raffreddata da fori cilindrici. La tecnica stata
quindi applicata con successo allo studio di geometrie pi complesse, quali il bordo d'attacco e d'uscita di pale statoriche di turbina a gas. THE APPLICATION OF PSP TECHNIQUE TO WIND TUNNEL FILM COOLING INVESTIGATIONS
The paper describes the application of binary PSP technique to the study of film cooling in nozzle vane cascade wind tunnel testing. After the description
of calibration setup, PSP results are first validated with TLC and literature data on a flat plate test case. PSP technique is then successfully applied to
the analysis of complex geometries like a showerhead scheme for vane leading edge cooling and a trailing edge cutback configuration. Hamed Abdeh, Marco Miranda, Samaneh Rouina, Giovanna Barigozzi
Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate, Universit di Bergamo (1) (2) (3) (4) (5) La memoria si collega a un corrispondente lavoro presentato dagli stessi autori al 72 Congresso ATI, segnalato per il suo interesse dal Comitato Scientifico del Congresso medesimo Tecnica LA TERMOTECNICA NOVEMBRE 2017 63 Turbomacchine & Misure che per lo studio del raffreddamento palare [4-6]. Pochi ricercatori
hanno per confrontato le PSP con i metodi tradizionali basati sul
trasferimento di calore. Wright et al. [7] hanno confrontato tra loro tre
diverse tecniche di misura dell'efficacia di raffreddamento applicate a
un test su lastra piana: PSP, TSP (vernice sensibile alla temperatura) e
termografia IR. Caciolli et al. [8] hanno confrontato i metodi TLC e PSP
su una lastra piana raffreddata da un sistema che simula il raffredda-
mento del combustore. Pur dimostrandosi superiore ai metodi basati
sullo scambio termico, la tecnica PSP risulta affetta da incertezze di
misura [6]. Liu e Sullivan [9] hanno eseguito un'analisi approfondita
degli errori associati alla misura PSP, indicando come l'effetto della
temperatura sia quello maggiormente impattante. Natsui et.al. [10]
hanno analizzato gli errori legati agli effetti termici e alla degradazione
della fotoluminescenza, fornendo raccomandazioni sulle modalit di
conduzione delle prove e indicazioni sui livelli di errore attesi. No-
nostante i vantaggi delle PSP per misurare l'efficacia adiabatica di
raffreddamento a film, la sensibilit alla temperatura delle vernici PSP
potrebbe ridurne l'accuratezza. Per limitare questo effetto, sono state
proposte delle vernici binarie (Binary PSP), contenenti due molecole
luminescenti: una, come nelle PSP convenzionali, sensibile sia alla
pressione che alla temperatura, e una seconda unicamente sensibile
alla temperatura [11]. Acquisendo i segnali emessi da queste due
molecole luminescenti possibile compensare gli errori causati dalla
temperatura [12].
In questo articolo viene discussa l'applicazione delle PSP binarie per
il rilievo dell'efficacia di raffreddamento a film su differenti geometrie,
tra cui lastra piana, bordo d'attacco e bordo d'uscita di pale statoriche
di turbina a gas. In ogni caso, viene effettuato un confronto tra PSP e
TLC e viene fornita una descrizione della procedura di calibrazione. APPARATO SPERIMENTALE E CONDIZIONI DI PROVA
Poich in questo studio sono state studiate diverse geometrie, i test sono
stati eseguiti in due differenti gallerie del vento. Per i test su lastra piana
stata utilizzata una galleria del vento in aspirazione a bassa velocit
(Fig. 1a). Le prove sono state effettuate a circa 17 m/s, con una bassa
intensit di turbolenza. La lastra piana raffreddata da tre fori cilindrici
di diametro D pari a 5mm inclinati a 30 rispetto alla superficie. I fori sono collegati ad un plenum alimentato con aria compressa o con N 2. Le condizioni di iniezione vengono controllate misurando la portata iniet-
tata e la pressione e la temperatura all'interno del plenum. La portata
viene misurata con un rotametro ( 2 l / min), mentre la temperatura
viene misurata con una termocoppia di tipo T ( 0.5 C). Ulteriori
informazioni su questo tunnel sono disponibili in Rouina et al. [13].
La seconda galleria del vento (Fig. 1b), anch'essa operante in aspira-
zione, ospita una schiera composta da sei pale la cui geometria tipica
di ugelli di alta pressione di turbine a gas industriali. Maggiori dettagli
sul tunnel e sulla geometria della schiera sono riportati in Barigozzi et
al. [14]. In questa galleria del vento sono stati studiati in modo indi-
pendente due diversi sistemi di raffreddamento: -Un sistema di raffreddamento del bordo d'at acco (showerhead) composto da quattro file di fori, ognuna composta da 16 fori ci-
lindrici. I fori sono inclinati a 45 verso l'apice della pala e sono
posizionati sia sul lato in pressione (PS) che su quello in depressione
(SS). La schiera stata testata ad un Ma 2is = 0.4 con un'intensit di turbolenza in ingresso del 9%. Ulteriori dettagli su questa geometria
sono riportati in [15]. -Uno schema di raffreddamento del bordo d'uscita tagliato composto di due file di fori cilindrici e di otto feritoie, tutte situate sul lato in
pressione. Tale configurazione stata testata ad un Ma 2is = 0,6 con un'intensit di turbolenza in ingresso dell'1,6%. Ulteriori informazioni
su questa geometria sono disponibili in [14]. Ogni sistema di raffreddamento stato collegato ad un rete che fornisce
aria o N 2. In entrambe le configurazioni, la portata iniettata stata mi- surata con un misuratore a diaframma ( 2,1%) mentre la pressione to-
tale e la temperatura totale del refrigerante sono stati misurati all'interno
della cavit della pala con prese di pressione e termocoppie di tipo T. CALIBRAZIONE DELLE PSP BINARIE
In questi esperimenti stata utilizzata la vernice BinaryFIB PSP della
ISSI. Secondo gli spettri di emissione della vernice BinaryFIB, quando
la vernice PSP viene eccitata da una luce a LED UV a circa 400 nm,
vengono emessi due segnali distinti: uno a 560 nm e uno a 650 nm. Il
primo il segnale di temperatura, il secondo il segnale di pressione FIGURA 1 - Gallerie del vento per test su lastra piana (a) e schiere (b) Tecnica 64 LA TERMOTECNICA NOVEMBRE 2017 Turbomacchine & Misure / temperatura. Prendendo il rapporto tra questi segnali possibile
compensare la sensibilit delle PSP alla variazione di temperatura. La
sensibilit alla pressione della vernice BinaryFIB di circa lo 0,6% per
kPa, mentre la sensibilit alla temperatura di 0,03% per C [12]. La
calibrazione delle PSP stata effettuata utilizzando una camera stagna
collegata ad una pompa del vuoto (Fig. 2a). La camera dotata di un
trasduttore di pressione, di una valvola di sfiato ed stata progettata
per avere un accesso ottico alla sezione di prova. Quest'ultima, dipinta
con le PSP, coincide con la superficie di uno scambiatore di calore neces-
sario per controllare la temperatura. Infatti acqua calda / fredda viene
fatta circolare attraverso lo scambiatore per modificare la temperatura
della superficie di prova, il cui valore viene monitorato da termocoppie
di tipo T. Una volta raggiunta la temperatura desiderata, la pressione
all'interno della camera viene ridotta fino a circa 1 kPa utilizzando la
pompa del vuoto. Una fotocamera CCD (FlowSense EO 4M, risoluzione
2048pixel 2048pixel) equipaggiata con filtri rosso (650 nm) e verde
(550 nm) acquisisce, per ogni valore di pressione, due set di 50 imma-
gini della superficie di prova, un set con il filtro rosso e uno con il filtro
verde, immagini che vengono poi mediate per ridurre il rumore. Grazie
all'apertura e chiusura rapida della valvola di sfiato la pressione all'in-
terno della camera viene progressivamente aumentata, portando ad
una riduzione dell'intensit della luce emessa. Questa procedura viene
ripetuta fino a raggiungere la pressione ambiente e quindi ripetuta per
diversi valori di temperatura. Oltre ai diversi set di immagini acquisite
al variare della pressione, necessario acquisire due ulteriori imma-
gini (Dark image), una per ogni filtro, con le luci spente, immagini che
verranno sottratte a tutte le altre per rimuovere ogni difetto del sensore
della fotocamera. La Figura 2b mostra le curve di calibrazione ottenute
in questo studio per temperature variabili nell'intervallo 20C - 40C,
dove Rref/R il rapporto tra i segnali acquisiti con i due filtri, rapporto
che sostituisce I ref/I nella legge di calibrazione (eq. (5)): Le curve ottenute a diverse temperature praticamente coincidono,
dimostrando come il segnale delle PSP binarie sia indipendente dalla
temperatura, almeno nel campo indagato. La taratura ha permesso anche di quantificare l'incertezza nel valore di efficacia calcolato.
Seguendo la procedura descritta in [10], si calcolata un'incertezza
dh = 1.4% con h = 0.5 e dh 15.6% quando h = 0.1. RISULTATI
Lastra piana
La tecnica PSP binaria stata dapprima validata su un modello di lastra
piana raffreddata da una fila di fori cilindrici. La Figura 3a mette a
confronto i risultati ottenuti con la tecnica delle PSP binarie con analoghi
risultati ottenuti tramite la tecnica TLC, per un valore del rapporto di
iniezione BR = 0.5, cos definito: essendo r e U la densit e la velocit del refrigerante (c) piuttosto
che del flusso esterno (8). Come si pu vedere, i risultati di PSP e
TLC concordano, tranne che in prossimit del foro, dove gli effetti
di conduzione influenzano notevolmente i TLC. Sono state eseguite
misure simili anche al variare delle condizioni di iniezione. Questi
dati sono stati utilizzati per calcolare le distribuzioni di efficacia di
raffreddamento a film mediate lateralmente riportate in Figura 3b,
dove vengono messe a confronto con dati di letteratura. Al di la delle
diverse caratteristiche geometriche dei fori, i risultati delle PSP di
questa indagine sono in ottimo accordo con la letteratura, per tutti i
casi di iniezione testati. Bordo d'attacco
Le PSP binarie sono state quindi applicate allo studio del raffredda-
mento del bordo d'attacco. La Figura 4 mette a confronto i risultati cos
ottenuti con quelli misurati con la tecnica TLC a parit di condizioni
di iniezione (BR = 2.0). L'utilizzo dei TLC su questa geometria stato
complesso: gli effetti di curvatura hanno influenzato la percezione
del colore sul lato in depressione e una forte conduzione avvenuta
tra i fori, solo parzialmente corretta mediante un calcolo FEM [15].
Questo caso stato critico anche per le PSP, in quanto l'analogia tra
trasferimento di calore e trasporto di massa in questa zona potrebbe
non essere pienamente verificata, soprattutto lungo il lato in depres- FIGURA 2 - Apparato di calibrazione (a) e curve di calibrazione (b) (6) (7) Tecnica LA TERMOTECNICA NOVEMBRE 2017 65 Turbomacchine & Misure sione. Ci nonostante, i risultati delle PSP e dei TLC hanno mostrato
un buon accordo lungo il lato in pressione tranne che nella regione
vicino ai fori. I TLC invece sovrastimano h sul lato in depressione,
anche se entrambe le tecniche catturano correttamente i fenomeni di
separazione / riattacco dei getti. Le misure sono state ripetute al va-
riare del rapporto di iniezione BR. Questi dati sono stati utilizzati per
calcolare le distribuzioni di efficacia di raffreddamento a film mediate
lungo l'altezza di pala riportate in Figura 4c. L'efficienza massima si
verifica per BR = 3.0 mentre una riduzione di BR fino a 2.0 si traduce in
una perdita di protezione. Guardando il lato in pressione della pala,
i risultati delle PSP sono paragonabili ai TLC, specialmente a basso
BR. Al contrario, i TLC misurano una maggiore efficienza sul lato in
depressione. Ci dovuto alla conduzione e agli effetti di curvatura
che influenzano fortemente i TLC, oltre che alla non completa validit
dell'analogia tra trasferimento di calore e trasporto di massa. Bordo d'uscita
Infine, le PSP binarie sono state utilizzate per misurare la distribuzione dell'efficacia di raffreddamento a film sul lato in pressione di una
schiera di pale statoriche dotate di bordo d'uscita tagliato (cutback).
La Figura 5 confronta le distribuzioni misurate con PSP e TLC per un
rapporto tra la portata di refrigerante e quella del flusso principale
(MFR) pari a 1.1%. Questo caso stato particolarmente impegnativo
perch eseguito ad un numero di Mach relativamente elevato pari a
0.6, dove gli effetti di comprimibilit potrebbero influire sulle tecniche
basate sullo scambio termico. Le PSP binarie danno sempre valori di
efficienza pi elevati rispetto ai TLC, a valle dei fori e nella regione del
cutback, con una definizione molto migliore delle tracce dei getti. Ci
pu essere meglio apprezzato guardando le distribuzioni mediate
lungo l'altezza di pala riportate in Figura 5c per due diversi casi di
iniezione. Tale differenza dovuta al fatto che, durante le prove con
i TLC, la temperatura del refrigerante stata misurata all'entrata della
cavit interna della pala, cio lontano dalle sezioni di sbocco dei fori
e della feritoia. Inoltre, gli effetti di conduzione hanno influenzato
fortemente l'intera regione a monte del cutback, rendendo complicata
l'identificazione dei getti. Differenze tra TLC e PSP si notano anche FIGURA 3 - Efficacia di raffreddamento a film: (a) PSP, (b) TLC e (c) medie laterali FIGURA 4 - Andamento di h al bordo d'attacco per BR=3: (a) PSP, (b) TLC e (c) medie laterali Tecnica 66 LA TERMOTECNICA NOVEMBRE 2017 Turbomacchine & Misure nella regione del bordo di uscita, dove i TLC mostrano un decadimento
pi rapido. Ci pu essere dovuto a effetti di conduzione sul bordo
d'uscita sottile o ad una sovrastima della temperatura di recupero, va-
le a dire una sottovalutazione degli effetti di comprimibilit. Tuttavia,
la tendenza generale al variare della portata iniettata rilevata dalle
due tecniche la stessa: un aumento di MFR genera un miglioramento
della protezione nella regione del cutback, mentre un peggioramento
si verifica a monte, a causa della maggior quantit di moto dei getti
che non consente al refrigerante di rimanere attaccato alla parete a
valle della prima fila di fori. CONCLUSIONI
Questo articolo documenta lo sviluppo della tecnica PSP binaria pres-
so l'Universit di Bergamo per misurare l'efficacia di raffreddamento
adiabatico a film. Dopo un'accurata calibrazione, le PSP binarie sono
state validate su un test case su lastra piana, dimostrando la loro
capacit di fornire risultati accurati, praticamente non influenzati
dalla temperatura.
La stessa tecnica stata poi applicata a geometrie pi complesse,
come uno schema di raffreddamento del bordo d'attacco e una con-
figurazione tagliata del bordo d'uscita. In entrambi i casi i risultati
ottenuti con le PSP binarie sono stati confrontati con misure TLC,
consentendo di concludere che questa tecnica in grado di catturare
tutti i fenomeni rilevanti gi misurati dai TLC con diversi vantaggi:
non influenzata dalla conduzione, dalla curvatura e dagli effetti di
comprimibilit, che invece limitano fortemente la qualit delle misure
tramite TLC. BIBLIOGRAFIA
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