El mejor diseño aerodinámico para palas de turbinas
Gracias a la reducción de las cargas aerodinámicas, las LPT de alta velocidad ofrecen una mayor eficiencia en cada etapa que los motores convencionales. Puede reducirse el número de palas de la turbina, lo que a su vez permite limitar la longitud y el peso del motor y buena parte de los costes de mantenimiento y las emisiones. Sin embargo, para garantizar el rendimiento y la seguridad con menos palas y tensiones más elevadas sobre el buje, es necesario optimizar los parámetros de diseño cuidadosamente. Con el fin de cumplir las exigentes restricciones en el diseño de las palas de rotor LPT de alta velocidad, este equipo de investigadores puso en marcha el proyecto ITURB (Optimal high-lift turbine blade aero-mechanical design), financiado con fondos de la Unión Europea. El equipo de ITURB rediseñó la pala de rotor partiendo de la configuración básica de la LPT más avanzada existente. El nuevo diseño de pala se inspiró en una estrategia multi-objetivo de optimización que contemplaba las geometrías y la dinámica de fluidos computacional. Para poder determinar el rendimiento aerodinámico del nuevo diseño, los investigadores recurrieron a cálculos computacionales en 3D para un flujo viscoso constante dentro de un modelo de turbulencia k-omega. Para realizar comprobaciones de integridad mecánica, evaluaron la tensión máxima que ejercen las fuerzas centrífugas sobre el rotor. Por último, el equipo empleó redes neuronales artificiales para estudiar el espacio de diseño basándose en la relación respuesta-superficie. Los distintos procesos de optimización dieron lugar a un perfil aerodinámico que cumple los requisitos mecánicos y geométricos. El diseño definitivo se validó mediante una batería de experimentos llevados a cabo en unas instalaciones de evaluación de turbinas monoetapa de baja velocidad. Los resultados de los experimentos se compararon con cálculos numéricos del rendimiento del rotor con un número de Reynolds constante y un ángulo de incidencia del rotor variable. El diseño teórico y experimental de ITURB y las herramientas de ensayo desarrolladas se plasmaron en una pala de rotor LPT de alta velocidad que permite reducir el peso, el consumo de combustible y las emisiones. Este nuevo diseño de pala constituye un elemento importante de la iniciativa Cielo Limpio, encaminada a reducir la huella medioambiental del transporte aéreo.
Palabras clave
Pala de rotor, turbina de baja presión, ITURB, dinámica de fluidos computacional, iniciativa Clean Sky, Cielo Limpio
