Impianto turbina a gas

Turbina a gas

In senso stretto indica la macchina motrice termica a flusso continuo in cui viene fatto espandere un gas, ma spesso si usa questa forma più sintetica per intendere l’intero impianto motore con turbina a gas per la produzione di energia meccanica dalla conversione dell’energia chimica del combustibile.

Rispetto agli altri tipi di macchine motrici, quali ad esempio le turbine a vapore o i motori alternativi a combustione interna, la turbina a gas è una macchina relativamente giovane.

Storia e sviluppo

Le turbine a gas nella loro forma moderna furono concepite e brevettate intorno al 1890. I rendimenti troppo bassi dei componenti, turbina e compressore, utilizzati nei primi prototipi così come le limitate temperature massime del ciclo imposte dai materiali allora disponibili, rendevano non conveniente, se non addirittura inutile, un loro utilizzo.

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi

• Elevato rapporto potenza/peso.
• Può essere avviato rapidamente; per questo nelle applicazioni terrestri veniva usato come motore di backup per esempio di impianti a vapore (nel caso di blackout improvviso di altri impianti si utilizzava l’impianto gas per non rimanere senza corrente).
• Elevati valori della potenza specifica (per unità di peso).
• Affidabilità operativa.
• Bassi costi specifici (perché poco ingombranti).
• Tempi brevi di costruzione e messa in opera.
• Esistono in un’ampia gamma di potenze: partono da potenze molto piccole fino a raggiungere potenze molto elevate:
  • Microturbine a gas
  • Miniturbine a gas
  • Turbine a gas (500/600 MWatt)
• Elevati rendimenti in impianti combinati con impianto a vapore.

Svantaggi

• Valori non sempre contenuti del consumo di combustibile (collegato ai bassi rendimenti).
• Necessità di impiego di combustibili costosi.
• Potenza massima inferiore a quella di una turbina a vapore.
• Il rendimento e la potenza erogabile dall’impianto variano al variare della temperatura ambiente (dell’aria) aspirata dall’impianto (T1): al crescere della temperatura dell’aria in ingresso al turbogas (al compressore) avremo una riduzione della potenza erogata e del rendimento.

Applicazioni

L’impianto a turbogas trova comunque numerose applicazioni in ambito aeronautico terrestre e oggi si sta pensando di reintrodurlo anche in ambito navale.

Funzionamento

Il flusso dopo aver attraversato il primo condotto di adduzione, attraversa il compressore e successivamente la camera di combustione, che è disposta anularemente e si sviluppa intorno all’albero che congiunge la turbina con il compressore. Dopo aver attraversato la CC, la miscela di aria e gas combusti attraversa i due corpi turbina e successivamente passa attraverso il condotto di scarico e liberato nell’ambiente esterno.

Configurazioni

Soluzione a due alberi

Questa soluzione prevede due alberi: il primo albero collega il compressore con il primo corpo di turbina (ad alta pressione, adibita a muovere il compressore), il secondo collega il compressore alla turbina a bassa pressione che fornisce il lavoro utile.

Soluzione monoalbero

Visto che il rendimento di una TAG è tanto più elevato quanto più è elevata la Tmax (all’uscita della CC e all’ingresso della turbina) è necessario rendere la turbina il più resistente possibile alle elevate temperature. Per fare questo, oltre ad utilizzare materiali performanti, si utilizzano delle tecniche per raffreddare le palette: vengono praticati dei fori sulle palette. Viene utilizzata nei casi in cui prevediamo di avere delle velocità di rotazione costanti o una potenza utile richiesta costante.

Essendoci un unico albero le velocità devono essere costanti. Non abbiamo la flessibilità nella scelta delle velocità dei diversi corpi. Viene spesso utilizzata quando sono richieste potenze ridotte.

Soluzione bialbero (o trialbero)

In uno vi sono i compressori, la camera di combustione e la turbina di alta pressione (adibita a muovere il compressore). L’insieme compressore, turbina di alta pressione e camera di combustione viene chiamato generatore di gas caldi. La turbina di bassa pressione si trova su un albero differente al quale è collegato l’utilizzatore. Soluzione adottata per impianti più grandi con più corpi compressore e turbina.

Caratteristiche dell’impianto con turbina a gas

In caso di trasformazione ideale

Modello ideale: riguarda una macchina perfetta, priva di irreversibilità nella quale evolve un fluido ideale (con Cp e Cv costanti), che si comporta come un gas perfetto e con viscosità nulla. Se hp di trasf ideale: la compressione (tra 1-2) e l’espansione (tra 3-4) sono adiabatiche e isoentropiche reversibili. Invece le trasf tra 1 e 4 e 2 e 3 che riguardano gli scambi di calore sono isobare reversibili.

Confronto tra Lc e Lt

Serve meno lavoro per il compressore, ma sono comunque due valori confrontabili, dello stesso ordine di grandezza, non è trascurabile quello del compressore rispetto a quello della turbina. Questo perché nel compressore stiamo elaborando un aeriforme, quindi la sua densità è piccola.

Dall’equazione in forma meccanica

Più è piccola la densità maggiore è la quantità di lavoro che dobbiamo fornire al compressore a parità di delta p. Anche a fronte di piccole variazioni di p, visto che V è grande, dobbiamo fornire un elevato lavoro. Per un liquido (acqua), a parità di delta p, il lavoro sarebbe circa 1000 volte più piccolo (e quindi sarebbe trascurabile).

Rendimento del ciclo ideale

Il rendimento del ciclo ideale dipende solamente dal rapporto di compressione e dal tipo di gas. Il rendimento di un ciclo di Joule reversibile è pari a quello di un ciclo di Carnot evolvente tra le temperature T1 e T2 di inizio e fine compressione. Al crescere di β, aumenta la T di adduzione del calore e diminuisce la T di sottrazione del calore quindi aumenta il rendimento.

Considerazioni sui cicli a parità di T3

Tmax (che di solito è un limite tecnologico, dipende dalle T che riesce a sostenere la turbina) e vediamo a quali condizioni possiamo avere il rendimento massimo nel ciclo ideale. Se T3 è fissato, il valore massimo del rapporto di compressione si raggiunge quando T2 è uguale a T3 (altrimenti vorrebbe dire che durante la combustione abbiamo una diminuzione di T).

Processo reale

La compressione e l’espansione non sono più adiabatiche isoentropiche, ma adiabatiche quindi si verificano con un aumento di entropia quindi saranno oblique. Vi sono anche delle perdite di pressione: nel condotto di aspirazione, quindi rispetto alla p ambiente all’ingresso del compressore mi trovo a p più bassa dovuta alla perdita di p nel condotto di adduzione. Vi sono perdite nella camera di combustione questo fa sì che la fase di adduzione del calore tra 2 e 3 non si realizzi più lungo un’isobara, ma si sposti gradualmente su isobare sempre più basse. Vi sono anche perdite di pressione allo scarico: p4 è più alta rispetto alla p ambiente. Una parte della portata all’uscita del compressore viene spillata e inviata ai primi stadi della turbina per raffreddarli. Quindi l’espansione non sarebbe adiabatica (a causa degli scambi di Q per raffreddare la turbina) e potrebbe quindi avere una pendenza diversa rispetto a quella rappresentata. Noi trascuriamo però le perdite di pressione, e teniamo conto solo del fatto che le trasformazioni di espansione e compressione non sono più adiabatiche e isoentropiche, ma reali (con irreversibilità) e quindi avranno una certa pendenza.

Espansione e compressione

x esprime Lr facciamo riferimento al lavoro ideale isoentropico estratto dalla turbina moltiplicato per il rendimento adiabatico isoentropico della turbina, che ci indica di quanto il lavoro reale è più piccolo di quello ideale. Per ottenere il lavoro reale di compressione dobbiamo dividere il lavoro ideale per il rendimento adiabatico. Sostituendo questi valori in è possibile ottenere il lavoro utile reale e il rendimento termodinamico reale rapportiamo il lavoro utile reale a Q1.

Fattori che influenzano il rendimento

• Dai rendimenti politropici del compressore e della turbina (saranno tanto più elevati quanto sono elevati questi rendimenti), quindi il rendimento della singola macchina ha un’influenza importante sul rendimento complessivo del ciclo termodinamico.
• Dal rapporto fra Tmax e Tmin (T3/T1): sono più elevati quanto è più elevato questo rapporto.
• Dal rapporto di compressione (in maniera più complessa rispetto al caso ideale): in questo caso anche il rendimento è massimo per un valore del rapporto di compressione ben preciso. Anche per il rendimento abbiamo un andamento a massimo (e non continuamente crescente come nel caso ideale).

Curva del rendimento

Tre tipologie di curve: per tre differenti valori di T3. Nel ciclo reale, il rendimento ha un andamento prima crescente con β e poi decrescente (si annulla per lo stesso β che annulla il Lu). Il rendimento aumenta all’aumentare di T3. Il rendimento max si ha per un valore di β maggiore di quello per il quale è max Lu (tanto maggiore, quanto più aumenta T3). La curva del rendimento è abbastanza piatta in corrispondenza del max.

Massimizzazione del lavoro utile

Se voglio ottenere dal ciclo il lavoro utile specifico più elevato dovrò imporre un rapporto di compressione più piccolo rispetto a quello che devo imporre se voglio massimizzare il rendimento. Qualunque sia il valore di T3, il massimo delle curve del rendimento è sempre più a destra del massimo delle curve del lavoro utile, quindi il rapporto di compressione che mi permette di massimizzare il lavoro utile specifico è più piccolo rispetto a quello che mi permette di massimizzare il rendimento termodinamico reale. La differenza tra i due rapporti di compressione aumenta all’aumentare di T3 (quindi più difficile trovare il compromesso tra un elevato lavoro utile e il rendimento). La curva del rendimento si appiattisce abbastanza quando T3 cresce, quindi riesco ad ottenere un elevato rendimento per un range abbastanza ampio di β.

Diagramma

Questo diagramma è stato ottenuto per valori fissati di rendimento politropico della turbina (0,8) e rendimento politropico del compressore (0,77) oltre che per un cp costante. Lavoro utile e rendimento termodinamico reali al variare del rendimento politropico di compressione e di espansione. Ottenuto per un valore di T3 fissato e cp costante. Vi sono tre coppie rendimento-lavoro utile, una per ciascuna diversa coppia di rendimenti politropici di compressione e turbina (rendimento del compressore sempre più basso). Il rendimento termodinamico reale e il lavoro utile specifico aumentano all’aumentare dei rendimenti politropici di turbina e compressore.

Tecniche di miglioramento

Rigenerazione

Aumento del rendimento perché non estraiamo maggior lavoro, ma spendiamo meno energia chimica del combustibile. Sfruttiamo l’elevata T dei gas caldi in uscita dal turbogas per preriscaldare l’aria che sta per entrare in CC, consentendoci di fornire un quantitativo minore di Q; Lu quasi invariato (in realtà si riduce leggermente).

Inter-refrigerazione

Consiste nel dividere la fase di compressione in 2 o più parti e interporre tra i diversi corpi di compressione uno o più interrefrigeratori, cioè degli scambiatori di calore che assorbono Q per ridurre la T. In questo caso abbiamo un aumento di Lu (perché spendiamo meno per comprimere) e possibile incremento del rendimento (ma anche diminuzione perché dobbiamo fornire più Q durante la combustione).

Post-combustione

Dividiamo in più parti la fase di espansione e tra le due fasi andiamo a scaldare nuovamente il flusso (facciamo avvenire un’altra fase di combustione) questo è possibile perché il TAG lavora in forte eccesso di aria (per limitare le T in uscita dal combustore). Lavorando in eccesso di aria, all’uscita dal primo corpo turbina avremo ancora dell’O2 in grado di reagire nel postcombustore con un’ulteriore quantità o di combustibile per riaumentare nuovamente la T della miscela gas e aria in uscita dalla prima turbina. Abbiamo anche in questo caso un aumento di Lu perché si estrae maggiore lavoro dei corpi turbina e un possibile incremento del rendimento (ma anche diminuzione).

Utilizzo dei gas di scarico

I gas di scarico con la loro entalpia (T) elevata (T4=450-600º) vengono sfruttati per preriscaldare l’aria prima che dal compressore passino alla CC. Sfrutto la potenza termica dei gas di scarico si necessitano quindi superfici di scambio termico maggiori perché avvengono coeff. di scambio termico ridotti rispetto a quando sono coinvolti i liquidi perché l’aria che entra in CC non deve mischiarsi con i gas di scarico lo scambiatore, detto rigeneratore (o recuperatore), è quindi molto importante.