Estudio de caso CHARM

En colaboración con la Universidad de Bath, HiETA Technologies ha diseñado, fabricado y probado físicamente una rueda de turbina radial ligera y enfriada internamente que aprovecha las libertades de diseño de la fabricación aditiva.

El objetivo era demostrar que el funcionamiento en temperaturas de entrada de la turbina de 1200° C era posible mediante una rueda de turbina radial refrigerada internamente fabricada aditivamente.

Al aumentar la temperatura de entrada de la turbina a 1200° C, la eficiencia térmica de la etapa de la turbina se incrementa considerablemente y, por lo tanto, se puede aumentar la eficiencia general del sistema del motor. Al enfriar de forma activa la rueda de la turbina, aumenta la vida útil de los componentes y al reducir la carga de la rueda, la inercia se reduce y los tiempos de aceleración son más rápidos, además de reducir el desgaste de los rodamientos.

 

La tecnología es aplicable a los sistemas de microturbinas de gas donde la eficiencia del sistema podrían aumentar drásticamente haciendo funcionar el sistema más caliente, así como en la industria automovilística donde la inercia de bajada es ventajosa.

Lo que se hizo

Para lograr el objetivo se combinaron dos enfoques. HiETA desarrolló la capacidad de procesar un material resistente a altas temperaturas de níquel súperaleación CM247LC. Además, la fabricación aditiva se aprovechó para crear un diseño novedoso que combina la estructura interna requerida de la rueda con un método de enfriamiento interno específico.

Tomando un turbocompresor estándar enfriado por aceite como base para la referencia, la rueda enfriada por fabricación aditiva fue probada de nuevo con la rueda sólida, en el mismo punto de diseño utilizando las mismas carcasas y cojinetes.

La optimización topológica se utilizó como referencia de los requisitos estructurales requeridos, mientras que se creó un modelo CFD de transferencia térmica conjugado completo para modelar el efecto del enfriamiento sobre la rueda. El modelo CFD fue una representación completa de la configuración de la prueba, con el compresor, los cojinetes y la parte de la turbina incluidos. El resultado de este modelo fue validado a través de una prueba física.

Debido a las limitaciones en el soporte de gas caliente, no fue posible realizar pruebas a temperaturas de entrada de 1200 ° C, por lo que las ruedas se probaron a una temperatura de entrada de la turbina de 720 ° C y a 70,000 rpm. Tanto las ruedas sólidas como las enfriadas estaban recubiertas con pintura de historia térmica, que registra la temperatura de metal más alta vista por la rueda. En comparación con la base de la rueda sólida, la rueda enfriada mostró una reducción de la temperatura LE de 60 ° C, una reducción de TE de 100 ° C y una reducción media de 90-100 ° C. La rueda refrigerada era un 22 % más ligera que la base sólida. Los resultados de la prueba estaban muy relacionados con los resultados de CFD, confirmando la precisión del modelo.

El CFD se utilizó para predecir la reducción de la temperatura a 1200° C de entrada de la turbina En esta condición, se espera que se presenten reducciones de temperatura de 200 ° C a LE, 250° C a TE y 180-200 ° C media.