Development of a thermal analysis model for cooled turbine blades

The growing need to achieve higher gas cycle efficiencies requires to reach higher turbine inlet temperatures. Therefore, an efficient and well-designed cooling system is necessary to not deteriorate the integrity and the lifetime of the turbine components. The complexity of the heat transfer problem related to a cooled turbine blade is typically solved with a conjugate heat transfer (CHT) analysis. However, due to the large computational cost required, a CHT analysis is not always cost-effective for design purposes. In this thesis, a fully automated estimator that provides an evaluation of the blade temperature field has been developed. In order to supply a fast solution, the problem does not consider the system as a whole, but it solves separately the fluid and the solid domains. The blade conduction is solved by a Finite Element Method (FEM) analysis. At the external wall of the blade, a Robin boundary condition models the heat exchange with the hot main flow gas. A lumped element approach is used to model the coolant flow in the internal blade channels. The computed blade metal temperature field is the result of an iterative procedure between the FEM conduction analysis and the resolution of the coolant network model until convergence is achieved for the blade temperature. This thesis has been carried out as part of the MARPOWER project, which aims to develop a advanced gas turbine systems for the maritime sector. The developed model has been employed for the design of the cooling system for the first stator blade row of the high pressure turbine of the MARPOWER system. A CHT analysis has been performed to verify the outcomes of the implemented model. The comparison shows that the estimator tends to provide more conservative results. The design process has confirmed that the reduced computational time and effort required to obtain a first esteem of the blade thermal field represents the main advantage of the proposed method. Therefore, in future developments, optimization algorithms based on this model may be implemented to find the configuration that meets the temperature constraints with the minimum amount of coolant.

La crescente necessità di raggiungere efficienze sempre più elevate nei cicli a gas esige il raggiungimento di temperature di ingresso in turbina sempre maggiori. Di conseguenza, è necessario disporre di un sistema di raffreddamento efficiente e opportunamente progettato per non compromettere l’integrità strutturale e la vita utile dei componenti della turbina. La complessità del problema di scambio termico associato a una pala di turbina raffreddata viene generalmente affrontata mediante analisi di scambio termico coniugato (CHT). Tuttavia, a causa dell’elevato costo computazionale richiesto, un’analisi CHT non risulta sempre conveniente dal punto di vista progettuale. In questa tesi è stato sviluppato uno stimatore completamente automatizzato in grado di fornire una valutazione del campo di temperatura della pala. Per garantire una soluzione rapida, il problema non viene considerato nel suo insieme, ma risolve separatamente i domini fluido e solido. La conduzione termica nella pala viene risolta tramite un’analisi agli elementi finiti (FEM). Sulla parete esterna della pala, una condizione al contorno di tipo Robin modella lo scambio termico con il gas caldo del flusso principale. Un modello a parametri concentrati è utilizzato per modellare il flusso di refrigerante nei canali interni della pala. Il campo di temperatura del metallo della pala è ottenuto come risultato di una procedura iterativa tra l’analisi di conduzione FEM e la risoluzione del modello di rete del refrigerante, fino al raggiungimento della convergenza per la temperatura della pala. Questa tesi è stata sviluppata nell’ambito del progetto MARPOWER, che ha l’obiettivo di sviluppare sistemi avanzati di turbine a gas per il settore marittimo. Il modello sviluppato è stato impiegato per la progettazione del sistema di raffreddamento della prima schiera statorica della turbina ad alta pressione del sistema MARPOWER. Un’analisi CHT è stata eseguita per verificare i risultati ottenuti con il modello implementato. Il confronto mostra che lo stimatore tende a fornire risultati più conservativi. Il processo di progettazione ha confermato che il principale vantaggio del metodo proposto risiede nella riduzione del tempo e dello sforzo computazionale necessari per ottenere una prima stima del campo termico della pala. Pertanto, in sviluppi futuri, potranno essere implementati algoritmi di ottimizzazione basati su questo modello al fine di individuare la configurazione che soddisfi i vincoli di temperatura utilizzando la minima quantità di refrigerante.