Analisi CFD del flusso di raffreddamento di una pala rotorica di turbina a gas con tecnologia "radial holes cooling"

La tematica della generazione di energia attualmente ricopre un ruolo cruciale; si tratta infatti di un argomento piuttosto delicato, essendo oggi la richiesta di energia sempre più spingente e tendente alla massimizzazione dell’efficienza, con il minimo impatto ambientale. Nel corso degli anni si sono sviluppate svariate tecnologie che permettono di portare a termine questo compito, creando macchine capaci di produrre grandi quantità di energia, in maniera sempre più efficiente; ed è in questa categoria che rientrano le turbine a gas. Si tratta di macchine di derivazione aeronautica, riadattate per utilizzarle in ambito di generazione di energia elettrica. Una macchina siffatta lavora con aria ambiente, facendole compiere un ciclo termodinamico detto ciclo Brayton-Joule (ciclo semplice aperto, con macchina monoalbero) riportato in figura [1], dove le linee a tratto continuo indicano il ciclo ideale, mentre quelle tratteggiate sono quelle rappresentative del ciclo reale di lavoro della macchina, caratterizzato da tutte le irreversibilità legate al funzionamento. L’aria viene aspirata ed incanalata nel compressore (1), il quale darà inizio alla fase di compressione; una volta compressa (2), l’aria verrà bruciata insieme ad un comburente all’interno di una camera di combustione, facendo crescere vertiginosamente la temperatura della miscela, arrivando alla massima temperatura raggiungibile all’interno del ciclo (3); a questo punto inizia la fase di espansione in turbina, dalla quale si estrarrà il lavoro utile e alla fine della quale avverrà lo scarico con conseguente cessione di calore (4). I parametri di importanza cruciale all’interno del suddetto ciclo, rispetto ai quali è fondamentale riporre la più accurata attenzione, sono la temperatura e la pressione massime del ciclo; essi sono quei parametri dai cui discendono direttamente le prestazioni della macchina, in termini di lavoro e potenza utile, nonché del rendimento di stadio, valore indissolubilmente legato a quello globale dell’impianto. Tralasciando la trattazione analitica delle formule connesse agli andamenti tracciati nei grafici soprastanti, si può immediatamente notare in particolare che al crescere della temperatura di ammissione della turbina (temperatura T03), le prestazioni della macchina aumentano considerevolmente in termini di efficienza e potenza specifica; viene da sé che, in fase di progettazione della macchina, l’interesse del progettista sarà quello di mantenere questo valore il più alto possibile, al fine appunto di avere una macchina il più possibile prestante ed efficiente; si potrebbe allora pensare essere bastevole lavorare con delle temperature di ingresso in turbina, e quindi di combustione dell’aria, infinitamente alte, ma nella realtà dei fatti questa possibilità è fortemente vincolata dai limiti tecnologici imposti dai componenti stessi.