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Piastra Raffredata da Microfori: Funzionamento e Tracciamento di ParticelleMicrodrilled cooling plate: Particles operating and tracing The constant evolution of aircraft engines has achieved better performances through the use of gases with higher temperature. At the same time these improvements have implied an increasing risk of overheating that requires the investigation of new cooling methods.
An efficient technique is the one inspired by the transpiration cooling system that can be used to cool the turbine walls and blades.
This article presents, in particular, the problem premises, the construction of the model and the associated CFD analyses and results. In this case the principle of the transpiration cooling is applied by means of a microdrilled surface (instead of a porous material) with a coolant. The main problem, apart from the production of such surface, is to keep it efficiently working, avoiding the holes to be occluded by polluting particles. The simulation of the particles trajectories and deposits and the CFD analyses of the microdrilled surface functioning have provided interesting results: different holes imply different cooling characteristics and convergent-divergent nozzle holes offer overall better cooling conditions. IL PROBLEMA  La continua evoluzione dei motori in campo aeronautico sta contribuendosempre più ad aumentarne le prestazioni e migliorarne l’efficienza. Molti vantaggi si ottengono attraverso l’utilizzo di più alte temperature dei gas. Le pareti e le pale della turbina investite direttamente da tali gas possono avere problemi importanti di surriscaldamento e diventa quindi necessario investigare nuovi metodi di raffreddamento. Una tecnica che risulta molto efficiente è quella di utilizzare il raffreddamento per traspirazione (“transpiration cooling”) che consiste nell’impiego di materiali porosi attraverso cui far passare un fluido a bassa temperatura per raffreddare una parete investita da gas caldi.
Attualmente l’impiego di materiali porosi non è però ancora applicabile per la realizzazione di parti della turbina ma il principio del raffreddamento per traspirazione può essere comunque applicato attraverso l’uso di superfici microforate. Uno dei problemi base di cui soffrono tutti questi sistemi, oltre alla fabbricazione, è quello del mantenimento di una sufficiente efficienza lungo tutto l’arco di esercizio del componente, in un ambiente dove sono presenti vari tipi di inquinanti, generalmente sotto forma di particolato che tende a depositarsi sulle pareti solide e ad occludere i microfori o le porosità del materiale. La simulazione delle traiettorie del particolato e dei possibili luoghi di deposito aiuta a valutare queste problematiche.   IL MODELLO È stato investigato con analisi CFD il funzionamento di una superficie microforata per determinare le caratteristiche del raffreddamento sulla parete. Il dominio (ridotto) investigato è interessato da due flussi: un flusso di aria fredda che da una regione inferiore passa attraverso i microfori ed entra in una regione superiore dove un flusso di aria calda investe la parete della superficie. Sono state prese in considerazione 2 diverse tipologie di microfori: cilindrici ed a forma di ugello convergente/divergente. I diametri caratteristici sono minori del decimo di millimetro. L’analisi è stata fatta considerando la transizione tra moto laminare (all’interno dei fori) e moto turbolento (resto del dominio). Al modello è stato applicato anche il tracciamento lagrangiano di particelle nel range dei Pm10. I RISULTATI  L’analisi termofluidodinamica ha mostrato una diversa efficacia di raffreddamento della piastra utilizzando due tipologie di fori. I risultati evidenziano che all’interno dei fori esiste sempre un flusso di tipo laminare e, soprattutto, con i fori a forma di ugello convergente/divergente c’è meno penetrazione del fluido di raffreddamento all’interno della zona calda con conseguente miglior raffreddamento della parete.
Altro vantaggio della forma ad ugello è quello di avere un minor quantità di portata in massa che passa a parità di pressione totale imposta.
La presenza di particelle nella zona calda determina zone di accumulo a monte ed a valle dei microfori, mentre la presenza di particelle nella zona fredda determina possibili ostruzioni dei microfori. Per ulteriori informazioni: Stefano Zecchi, AVIO Michele Andreoli, EnginSoft - info@enginsoft.it Article published in the Magazine: EnginSoft Newsletter Year 5 n.3 |
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