Diseño de una sonda de temperatura de gas de elevada respuesta temporal para mediciones en turbinas

Abstract

[ES] El aumento del tráfico aéreo conlleva la continua búsqueda de mejoras en la eficiencia de los motores. Dicha eficiencia está directamente relacionada con la temperatura máxima que se puede alcanzar en el proceso de combustión y, por tanto, la temperatura de entrada en la turbina. Las elevadas temperaturas alcanzadas pueden provocar daños en los distintos componentes, de ahí la importancia de la caracterización del flujo en la primera etapa de la turbina de alta presión. En el instituto de investigación von Karman Institute for Fluid Dynamics cuentan con instalaciones que simulan dicha etapa, el VKI CT3 ring. Esta instalación permite reproducir en términos de números de Mach y Reynolds el flujo existente en una etapa de una turbina de alta presión de un motor de aviación moderno. El principal objetivo de esta tesis es el diseño de una sonda capaz de medir la temperatura y sus fluctuaciones asociadas al paso de los álabes en las instalaciones antes descritas para poder llevar a cabo la caracterización del flujo y los distintos fenómenos presentes durante esta etapa. Debido al elevado número de álabes y revoluciones, la respuesta de frecuencia requerida es del orden de 25-50kHz. Tras el estudio de las sondas ya fabricadas y distintos prototipos diseñados se procede con el diseño del prototipo final intentando satisfacer las necesidades establecidas. El diseño completo comprende desde el estudio inicial de dimensionado hasta la configuración de los sensores y análisis del comportamiento térmico de la sonda. La solución final obtenida es un equilibrio entre todos los parámetros y necesidades. Dicha configuración permite la caracterización de la temperatura del flujo en CT3 con un número limitado de medidas. La futura fabricación de la sonda se realizará en los laboratorios del propio instituto.

[EN] The increase in air traffic entails the continuous search for improvements in engine efficiency. This efficiency is directly related to the maximum temperature that can be reached in the combustion process and, therefore, the turbine inlet temperature. The high temperatures reached can cause damage to the different components, hence the importance of the flow characterization in the first stage of the high pressure turbine. The von Karman Institute for Fluid Dynamics has facilities that simulate this stage, the VKI CT3 ring. This installation allows to reproduce in terms of Mach and Reynolds numbers the flow existing in a stage of a high-pressure turbine of a modern aviation engine. The main objective of this thesis is the design of a probe capable of measuring the temperature and its fluctuations associated with the passage of the blades in the facilities described above to be able to carry out the characterization of the flow and the different phenomena present during this stage. Due to the high number of blades and revolutions, the required frequency response is of the order of 25-50kHz. After the study of the probes already manufactured and different prototypes designed, the final prototype is designed to meet the established needs. The complete design includes from the initial sizing study to the configuration of the sensors and analysis of the thermal behavior of the probe. The final solution is a balance between all parameters and needs. This configuration allows the characterization of the flow temperature in CT3 with a limited number of measurements. The future manufacturing of the probe will be carried out in the laboratories of the institute itself.