Riassunto analitico
Nelle turbine industriali, a gas e turbocompressori occorre che ci siano distanze tra pale e vano per prevenire strofinamenti. Allo stesso tempo, l'efficienza energetica e i vantaggi economici nella progettazione di distanze minime sono vari [5]. La soluzione tecnica a questi due requisiti contrastanti sono i rivestimenti abradibili, che sono ampiamente usati in queste applicazioni. Il rivestimento è solitamente applicato sulla superficie interna di compressore e turbina utilizzando processi di spruzzatura termica. Il duplice obiettivo di un rivestimento abradibile è proteggere il substrato e contemporaneamente impedire danni alle lame rotanti quando entrano in contatto con esso, e minimizzare la distanza tra pale e vano, migliorando così l'efficienza complessiva del motore. Questo progetto di ricerca si è svolto principalmente presso i laboratori UTBM (Università di Tecnologia di Belfort-Montbéliard, Francia) e nelle strutture di ricerca DIEF (Università di Modena e Reggio Emilia, Italia) e si compone di due parti: un primo studio di modeling e di una attività sperimentale successiva . Per quanto riguarda il modeling, le simulazioni sono state eseguite con ANSYS Fluent, un software utilizzato per effettuare l'analisi computazionale fluidodinamica. Lo scopo di questo studio è la simulazione del flusso di plasma spray atmosferico durante la deposizione di rivestimenti abradibili compositi AlSi-poliestere per applicazioni in turbine. 32 casi, corrispondenti a diversi set di parametri di deposizione, sono stati studiati secondo un Design of Experiments progettato nei laboratori UTBM per una ricerca in collaborazione con un partner industriale. I vari parametri riguardano il flusso di plasma e le condizioni di iniezione della polvere. La parte sperimentale del progetto consiste in deposizione dei rivestimenti abradibili e caratterizzazione: dopo un'accurata selezione, i parametri di spruzzatura di alcuni casi di modeling sono stati applicati a campioni fabbricati per trovare una relazione tra le proprietà dei rivestimenti e i parametri di processo plasma spray suggeriti dal modeling.
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Abstract
In aero-engine, industrial and steam turbines, clearances beyond the blades and vanes must be left to prevent rub events. At the same time, the energy efficiency and economical advantages in designing tight sealing clearances are several [5]. The technical solution to these two contrasting requirements are abradable coatings, which are widely used in these applications. The coating is usually applied on the interior surface of compressor and turbine shroud sections using thermal spray processes. The double aim of an abradable seal is protecting the substrate and simultaneously preventing damages to the rotating blades when they come into contact with it, and minimizing the over-tip clearance, improving in this way the overall efficiency of the engine. This research project took place primarily in UTBM Laboratories (University of Technology of Belfort-Montbéliard, France) and in DIEF research facilities (University of Modena and Reggio Emilia, Italy) and consists of two parts: a first modeling study and a successive experimental activity. As far as the modeling is concerned, the simulations have been performed with ANSYS Fluent, a software used to carry out computational fluid dynamics analysis. The aim of this study is the simulation of atmospheric plasma spray flow during the deposition of AlSi-Polyester composite abradable coatings for turbine applications. 32 cases, corresponding to different sets of deposition parameters, have been studied, according to a Design of Experiments designed in UTBM Laboratories for a research collaboration with an industrial partner. The varied parameters concern plasma flow and powder injection conditions. The experimental part of the project consisted of abradable coatings deposition and characterization: after a careful selection, the spraying parameters of some of the modeling cases have been applied to manufactured samples to find a relationship between coating properties and the plasma spray process parameters suggested by modeling.
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