Diseño y caracterización. De una sonda de respuesta rápida para mediciones en turbina de gas

Abstract

[ES] Los puntos principales a tener en cuenta a la hora de diseñar un motor térmico buscan siempre mejorar la eficiencia total y el rendimiento térmico. El rendimiento de los motores técnicos está estrictamente relacionado con la máxima temperatura que se puede conseguir a la salida de la cámara de combustión. La motivación de este trabajo reside en la necesidad de encontrar instrumentos de medida con una muy elevada respuesta en frecuencia que sean capaces de caracterizar la temperatura del gas y la transferencia de calor cuando el flujo pasa por la turbina y sus componentes. El Instituto Von Karman for Fluid Dynamics en Bruselas, Bélgica, donde se realiza este proyecto en condición de estancia de prácticas, posee unas instalaciones donde se pueden reproducir las condiciones de numero de Mach y numero de Reynolds reales existentes en la actuación de una turbina en aviación moderna donde la frecuencia de paso de los álabes es de 7KHz y cuyo flujo es extremedamente complejo. Con el objetivo de tener una medida precisa y una gran resolución espacial y temporal, será necesario el desarrollo de un instrumento de medida cuya respuesta en frecuencia sea de 25 KHz o superior. Con estos estrictos requisitos parte este proyecto y la tecnología de película delgada (thin film) es escogida. Esta tecnología posee además de una elevada respuesta en frecuencia superior al resto de instrumentos de media existentes en el mercado, una gran resolución espacial (1mm), y una buena relación de coste-rendimiento (rentabilidad) y facilidad para ser fabricada, pudiendo ser de producción casera. Este proyecto de investigación se presenta como la continuación del trabajo llevado a cabo por dos estudiantes del Instituto Von Karman que plantean el diseño teórico de una sonda con dos películas delgadas, mientras que en este proyecto, tras un análisis de su propuesta se propone trabajar con una sola película delgada para conseguir medidas más precisas en régimen transitorio. El objetivo del proyecto es el diseño y la caracterización de una sonda compuesta por una sola película delgada, atravesada por una corriente constante y un radiador en el interior de la misma que permitirá obtener diferentes condiciones térmicas para medir la temperatura total el flujo. El principio de trabajo de la sonda consiste en medir historias temporales de temperatura en la pared para diferentes condiciones térmicas, calculando el flujo de calor con una herramienta de software también aquí desarrollada que permitirá estimar la temperatura total del gas con la linealidad existente en la relación temperatura-flujo de calor. La estructura general de este proyecto queda dividida en 3 secciones claramente definidas: El proyecto empieza hablando de la actuación y el principio de trabajo de la sonda y del estado del arte, para más adelante centrarse en un análisis teórico y de simulaciones térmicas de la sonda que terminará con la caracterización experimental para validar los resultados obtenidos en la sección anterior, con toda la explicación requerida de la cadena de medida y las calibraciones necesarias. Esta última sección presentara también la herramienta de software desarrollada en Matlab para el análisis de datos y el post-procesado para modelar el problema de la transferencia de calor.

[CA] Els punts principals relatius al disseny de motors tèrmics afronten una millora global en l'eficiència i en la recerca incessant d'un major rendiment sobre. Tèrmica L'eficiència dels motors està estretament relacionada amb la temperatura màxima assolible a la combustió sortida de cambra. La motivació d'aquest treball rau en la necessitat de desenvolupar-se eines de mesura amb una resposta de molt alta freqüència amb la finalitat de caracteritzar correctament de la temperatura del gas i la transferència de calor en components de la turbina. Les instal·lacions del Von Karman Institute permeten provar un motor de fase d'alta pressió real Reynolds i Mach, on la freqüència de pas de la fulla és de 7 KHz. En ordre Per tenir una mesura precisa i resolució del temps és necessari el desenvolupament d'un L'eina permet obtenir respostes de freqüència de 25 KHz o superior. S'ha triat la tecnologia de pel·lícules primes. Per tal d'assolir aquest requisit exigit a causa de la seva alta freqüència i alta resposta robustesa. Alta resolució espacial (1mm), rendibilitat i fàbrica de fàcil maneig també són requisits essencials. Aquest projecte de recerca té com a objectiu o continuar el treball excel·lent de dos estudiants de VKi que ho descriuen el disseny teòric d'una Sonda de Dual Thin Film i el disseny preliminar. Després d'un S'ha seleccionat l'anàlisi de la sonda de pel·lícula prima doble clàssica en un disseny de sonda de pel·lícula prima Per obtenir mesures transitòries més precises. La sonda es compon d'un sol sensor de pel lícula prima creuada per corrent constant i un escalfador i estarà ubicat en cadascun punt de mesurament. El rendiment de la sonda consisteix a mesurar el temps de la temperatura de la paret Històries per a diferents condicions tèrmiques, calculant el flux de calor amb un programari desenvolupat eina i estimar la temperatura total del flux amb la linealitat de flux de calor - temperatura. L'estructura general d'aquest projecte es divideix en 3 parts principals: es tracta de la primera part el principi de treball de la sonda i l'anàlisi de l'estat de la tècnica per comprendre millor el propòsit d'aquest informe. Una anàlisi i simulacions tèrmiques continua presentant la sonda final geometria, alguns detalls del disseny i una eina de programari per processar posteriorment les dades obtingudes. Finalment, l'última part mostra un prototip de sonda i anàlisi de prova en un reactor capaç de reproduir-se condicions transitòries. Aquesta última part també explica la cadena de mesura i el calibratge llei, linealitat en els fenòmens de transferència de calor i rutines de programari desenvolupades per analitzar dades i per modelar el problema de la transferència de calor.

[EN] The main points regarding the design of thermal engines deal with an overall improvement in efficiency and the incessant pursuit of a greater performance envelope. Thermal engines efficiency is harshly related to the maximum temperature reachable at the combustion chamber outlet. The motivation of this work lies with the need for developing measurement tools with a very high frequency response aiming the correct characterization of the gas temperature and the heat transfer in turbine components. Von Karman Institute facilities allows testing a high-pressure stage engine in real Reynolds and Mach conditions where the blade passing frequency is 7 KHz. In order to have a precise measurement and time resolution it is necessary the development of a tool able get frequency response of 25 KHz or higher. Thin film technology is chosen in order to reach this demanded requirement due to its high frequency response and high robustness. High spatial resolution (1mm), cost-effectiveness and easy manufacturability are also essential requirements. This research project aims o continue the great job of two VKi students who describe the theoretical design of a Dual Thin Film Probe and the preliminary design. After an analysis of the classical dual thin film probe a single thin film probe design is selected in order to get more accurate transient measurements. The probe is composed by only one thin film sensor crossed by constant current and a heater and it will be located in each measurement point. The probe performance consists in measuring wall temperature time histories for different thermal conditions, calculating heat flux with a software developed tool and estimate the flow total temperature with the heat flux ¿ temperature linearity. The general structure of this project is divided in 3 main parts: First part deals with the probe working principle and state-of-art analysis to better understand the purpose of this report. A thermal analysis and simulations continues to present the final probe geometry, some details of the design and a software tool to post-process the data obtained. Finally the last part shows a probe prototype and test analysis in a jet able to reproduce transient conditions. This last part also explains the measurement chain and calibration law, linearity in the heat transfer phenomena and software routines developed to analyze data and for modeling the Heat Transfer problem.