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La turbina a gas è una turbomacchina motrice a fluido comprimibile, in particolare gas, usato principalmente nei gruppi turbogas.

Indice

StoriaModifica

Le turbine a gas nella loro forma moderna furono concepite e brevettate intorno al 1890, ma fu solo alla fine degli anni trenta che si ebbero le prime realizzazioni pratiche, con il primo impianto per la produzione di energia elettrica basato su un ciclo a gas che venne realizzato nel 1939 in Svizzera dalla Brown-Boveri. Negli anni successivi si ebbe un sempre più diffuso utilizzo di queste macchine in cicli Joule-Brayton in particolare in applicazioni per il trasporto aereo.

Turbine a gas assiali per alte temperatureModifica

Le turbine a gas assiali sono spesso la prima scelta per l'espansore di un ciclo Joule-Brayton per produzione stazionaria di potenza per grandi taglie e per propulsione. La maggior parte delle turbine a gas in queste condizioni prevedono una temperatura di ingresso molto alta rispetto al punto critico del fluido di lavoro, e spesso considerevoli anche per i materiali di costruzione della turbina stessa. Questa alta temperatura è frequentemente richiesta per aumentare l'efficienza del ciclo termodinamico, ma causa problemi non indifferenti nella realizzazione della macchina stessa. Le alte temperature a cui sono esposti i materiali può infatti causare fenomeni di scorrimento viscoso. Per ridurre questi problemi tre strategie vengono solitamente seguite:

  • Raffreddamento della palettatura
  • Miglioramento dei materiali
  • Applicazione di rivestimenti a barriera termica

Queste da sole o in combinazione tra di loro consentono la riduzione della temperatura dei materiali consentendo una più lunga vita utile o una maggiore temperatura di utilizzo della macchina.[1]

RaffreddamentoModifica

 
Paletta di turbina a gas usata. Sono ben visibili i fori di uscita dell'aria di raffreddamento

La palettatura sia statorica sia rotorica così come i dischi della turbina possono essere raffreddati facendoli interagire con una portata di fluidi freddi, solitamente aria o vapore a seconda delle necessità e della disponibilità. Questa interazione può avvenire senza che il fluido refrigerante entri a contatto con il fluido di lavoro, in tal caso è definito raffreddamento a circuito chiuso, o miscelando, anche successivamente, il refrigerante con il fluido di lavoro.

Tipicamente la palettatura, che è la componente più critica da raffreddare, per macchine ad aria o gas combusti è raffreddata con un ciclo aperto in cui il fluido refrigerante prima scorre all'interno del singolo componente poi viene scaricato da appositi ugelli posti sull'area esposta ai gas della paletta. In questo modo vengono garantiti due differenti tipi di raffreddamento: il raffreddamento convettivo, nel quale il fluido refrigerante scambia calore con le componenti della macchina, e un raffreddamento a film, nel quale il fluido refrigerante forma uno strato limite termico più freddo in prossimità della paletta eventualmente portato alla condizione estrema di raffreddamento per traspirazione nel quale la palettatura si comporta come un mezzo poroso attraverso il quale esce il liquido di raffreddamento. Per alcuni particolari dettagli soggetti ad alti carichi termici, come i bordi d'attacco della palettatura, l'utilizzo di tecniche di raffreddamento per impingement.[2]

L'utilizzo di vapore, quando disponibile, è preferibile da un punto di vista termico visto i migliori coefficienti di scambio termico ed il più elevato calore specifico del vapore che consente di rimuovere più calore a parità di massa e salto termico del fluido refrigerante. Tuttavia l'utilizzo di vapore richiede l'accoppiamento con una caldaia e quindi questo metodo è ristretto all'utilizzo del gruppo turbogas in ciclo combinato, ma questo causa un prolungamento dei tempi di accensione dell'impianto che risulta in un grande svantaggio per i ridotti tempi di accensione che rendevano attraente l'utilizzo di un turbogas. Ma d'altra parte consente un grande incremento di efficienza dell'impianto soprattutto se in ciclo chiuso: il vapore può essere riscaldato e poi inviato ad una turbina a vapore in grado di estrarre potenza utile dal flusso.

MaterialiModifica

Per ovviare al problema del surriscaldamento dei materiali una scelta è quella di utilizzare materiali in grado di resistere a temperature più alte. I materiali ceramici offrirebbero un'ottima alternativa ai metalli per le alte temperature e per la loro resistenza alla corrosione, problematica accelerata dalle alte temperature raggiunte. Tuttavia lo stato di trazione delle palettature associato alla presenza di un forte momento flettente sulle palette rende poco consigliabile l'utilizzo di materiali ceramici a causa della loro ridotta capacità di resistenza a trazione. Per questo motivo sono attualmente in uso leghe speciali metalliche, come gli Inconel, in grado di resistere alle alte temperature ed alla corrosione.

Nonostante i citati problemi dello stato di sforzo della palettatura, l'interesse verso i materiali ceramici ha portato al loro sfruttamento sotto forma di un relativamente sottile strato ceramico attorno alle palette, questo sia aiuta a ridurre il carico termico sulla componente metallica sia aiuta ad incrementare la resistenza alla corrosione, senza tuttavia andare a compromettere significativamente la resistenza agli sforzi.[3]

Turbine a gas radialiModifica

In particolari condizioni di utilizzo può essere di interesse l'utilizzo di turbine radiali anziché assiali per garantire un maggiore salto entalpico con un minor numero di stadi.[senza fonte] Questo tipo di turbine vengono usate ad esempio in microturbine a gas, dove la ridotta dimensione consente una grande riduzione di costi mentre la ridotta efficienza non causa eccessive perdite del ciclo. Queste macchine non sono però esenti da problematiche di surriscaldamento: la particolare struttura ed il percorso del fluido di lavoro rende infatti difficile l'utilizzo di circuiti di raffreddamento sofisticati.

NoteModifica

  1. ^ Giovanni Lozza, "Turbine a gas e cicli combinati", Esculapio, 2006, ISBN 88-7488-123-1.
  2. ^ "Seminari del corso di macchine e sistemi energetici" (PDF), su dma.ing.uniroma1.it. URL consultato il 24 febbraio 2017.
  3. ^ Padture N. P., Gell M. e Jordan E. H., "Thermal Barrier Coatings for Gas-Turbine Engine Applications", in Science, vol. 296, 2002, DOI:10.1126/science.1068609.

Collegamenti esterniModifica