Revista de Ingeniería Mecánica Aplicada

Abstracto

Mejora de la eficiencia de las turbinas de gas durante el funcionamiento fuera de diseño mediante el ajuste de los ángulos de inclinación de los álabes de la turbina y del compresor

Montaña Schobeiri

Las turbinas de gas en general y los motores de aeronaves en particular se someten frecuentemente a operaciones dinámicas. Estas operaciones incluyen el arranque rutinario, el cambio de carga y las paradas para cubrir su envolvente de operación. La frecuencia de la operación dinámica depende del tamaño de los motores y del campo de aplicación. Los motores para aeronaves de cercanías y, en particular, los motores de helicópteros funcionan con mayor frecuencia en un modo fuera de diseño en comparación con los motores de aeronaves comerciales grandes y las turbinas de gas de generación de energía. Durante estas operaciones rutinarias, el flujo másico del compresor, la relación de presión, el flujo másico de combustible y aire de la cámara de combustión, así como el flujo másico de la turbina, cambian. Estos cambios afectan el rendimiento aerodinámico del motor y su eficiencia. Para evitar la aparición de pérdida de sustentación y sobretensión rotatoria, las turbinas de gas de alto rendimiento están equipadas con mecanismos que ajustan los ángulos de escalonamiento del estator, alineando así el ángulo de flujo de salida del estator con el ángulo de entrada del rotor, lo que reduce una incidencia excesiva. La reducción del ángulo de incidencia no solo preserva el funcionamiento estable del compresor, sino que también evita que se deteriore la eficiencia del compresor. La existencia de un gradiente de presión positivo inherente puede provocar la separación de la capa límite en los álabes del compresor, lo que conduce a la pérdida de sustentación y sobretensión rotatoria. Sin embargo, esta condición no existe en una turbina y, por lo tanto, no ha habido una razón convincente para aplicar el método de ajuste de las palas al componente de la turbina. Por primera vez, en este artículo se muestra el impacto del ajuste del ángulo de escalonamiento de las palas de la turbina en la eficiencia de la turbina de gas durante la operación. Dada una condición de carga distribuida estadísticamente, la simulación dinámica extensa informada en este artículo muestra cómo la eficiencia puede verse afectada positivamente a través del ajuste adecuado de las palas. Para la operación dependiente del tiempo, el código GETRAN desarrollado por el autor se mejoró para incluir el ajuste de las palas de la turbina en función del tiempo. Para realizar la simulación dinámica con el ajuste del ángulo de escalonamiento del estator de la turbina durante una operación dinámica, se utilizó la geometría completa de la turbina de gas Brown Boveri GT-9. A partir del ángulo de escalonamiento de referencia, se varía dentro de un rango de incidencia de ± 3 grados. Los resultados detallados de la simulación muestran la mejora sustancial de la eficiencia a través del ajuste del escalonamiento de las palas del estator.