PALE DI TURBINE AERONAUTICHE: SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO E TECNICHE COSTRUTTIVE

This thesis focuses on the bibliographic study of the latest technological developments (2000-2025) related to cooling techniques for aeronautical turbine blades and associated manufacturing techniques. This research aims to improve the efficiency of modern aircraft engines, which are increasingly subjected to mechanical challenges due to high temperatures. Cooling is essential to reduce fuel consumption and emissions and to prevent exceeding the materials' strength limits. The study takes into account three fundamental technological aspects: 1. Optimization of Turbine Blade Cooling: Considering the principles of external and internal thermo-fluid dynamics, such as film cooling, transpiration cooling, turbulating ribs, and jet impingement, to increase convective heat transfer and to minimize the amount of air bled from the compressor. 2. Materials Used in Blade Construction: Such as Nickel-based single-crystal superalloys to provide a solution to problems related to creep and thermal stress, and Thermal Barrier Coatings (TBCs), which are superficial insulating layers used to lower the temperature of the metallic substrate. 3. Innovative Manufacturing Techniques: Such as Directional Solidification and Additive Manufacturing, which allow the creation of conformal cooling channels and blade geometries suitable for cooling. Starting from the knowledge acquired during the Turbomachinery course, the final goal of this work is to highlight the state-of-the-art of cooling processes and future perspectives in this component of turbo-mechanical operation.

Questa tesi si concentra sullo studio bibliografico degli ultimi sviluppi tecnologici (2000-2025) relativi alle tecniche di raffreddamento di pale di turbine aeronautiche e alle tecniche costruttive collegate, questo per migliorare l'efficienza dei motori aeronautici moderni che sono sottoposti sempre più a sfide meccaniche a causa dell'elevata temperatura. Il raffreddamento è essenziale per ridurre consumi ed emissioni e per non superare i limiti di resistenza dei materiali. Lo studio prende in considerazione tre aspetti tecnologici fondamentali: 1. Ottimizzazione del raffreddamento delle pale di turbina, tenendo presente i principi della termofluidodinamica esterna e interna, ad esempio il film cooling, il raffreddamento per traspirazione, le nervature turbolanti e il jet impingement per incrementare lo scambio termico convettivo e per minimizzare la quantità di aria spillata dal compressore. 2. Materiali utilizzati nella costruzione delle pale, quali le superleghe a cristallo singolo a base di Nichel per fornire una soluzione ai problemi legati al creep e alle sollecitazioni termiche, e le Thermal Barrier Coatings (TBC), strati isolanti superficiali per abbassare la temperatura del substrato metallico. 3. Tecniche di fabbricazione innovative, quali la Microfusione Direzionale e l'Additive Manufacturing che permettono la creazione di canali conformati e geometrie palari atti al raffreddamento. Partendo da quanto appreso durante il corso di Turbomacchine, lo scopo finale del presente elaborato è di mettere in luce lo stato dell'arte dei processi di raffreddamento e le prospettive future in questa componente del funzionamento turbo-meccanico.