Turbine a gas industriali ed aeronautiche

Turbine a gas e impianti motori con GT

Tendenze e sviluppi delle turbine a gas

Le turbine a gas basano il loro funzionamento sul ciclo Joule, hanno vita solamente grazie alla divergenza delle isobare, la quale permette di comprimere a basse temperature spendendo meno energia di quanta si riesca ad ottenere espandendo ad alte temperature. I principali punti su cui hanno lavorato e tutt’ora lavorano i progettisti sono: il rapporto di compressione (maggiore il rapporto di compressione maggiore la capacità di espansione e quindi maggior lavoro utile e miglior rendimento) e la temperatura massima del ciclo da cui dipendono il rendimento ed il lavoro utile (va bene aumentare il beta ma questo aumento deve essere preceduto o accompagnato da un aumento del tau).

Questi due fattori fondamentali sono strettamente legati alle condizioni ambiente (P e T), all’architettura della turbina (Single-Shaft, Double-Shaft, Twin-Shaft) e al rapporto aria/combustibile.

Rendimenti termodinamici

• Ciclo ideale: prevede una macchina ideale con trasformazioni ideali, processi ideali e assenza di perdite; inoltre utilizza un fluido ideale considerabile come un gas perfetto con calori specifici e composizione costanti. Ha uno scarso interesse tecnico per le troppe ipotesi semplificative.
• Ciclo limite: utilizza una macchina ideale con un fluido reale, il quale ha delle limitazioni rispetto a quello ideale. Tutto sommato però non c’è troppa differenza col ciclo precedente. Ha maggior interesse tecnico poiché rappresenta il limite tecnologico a cui il progettista può ambire.
• Ciclo reale: diverso dagli altri due, oltre al fluido reale adesso ho anche una macchina reale dove vengono tenute di conto tutte le irreversibilità della macchina e delle trasformazioni eseguite. È la rappresentazione più aderente alla realtà.

Dal punto di vista dei rendimenti avrò reale < limite < ideale < Carnot = 1 - T_min/T_max < 1. Il rendimento ideale dipende strettamente dal rapporto di compressione (vedi somma di n cicli di Carnot tutti fra le stesse isobare, il rapporto T2/T1 resta costante poiché è costante beta). I componenti (compressore e turbina) non sono però delle macchine isoentropiche e quindi hanno un rendimento minore di 1 (dissipano energia a causa degli attriti -> vedi lavoro di recupero e controrecupero).

Per un’analisi reale vanno considerate due nuove “imperfezioni”: il gas reale e il rendimento interno della macchina dove si tiene conto delle irreversibilità causate da compressore e turbina.

Il lavoro specifico (Wt - Wc)/c_p T₁ dipende, nel caso ideale, da beta e tau: maggiore tau e maggiore è il lavoro specifico a parità di beta. A parità di tau per massimizzare il lavoro specifico devo aumentare il beta non oltre però tau^1/2epsilon (valore di beta che massimizza il lavoro specifico). Nel caso reale devo invece tenere conto del lavoro di compressione e di espansione non più isoentropici.

Lavoro di compressione

• Compressione isoterma: comprimo sottraendo calore ovvero fornisco energia al fluido prelevando calore, molto difficile da realizzare se non con tempi infiniti. Il lavoro necessario da spendere è il minore rispetto agli altri casi e coincide con il lavoro meccanico e col calore scambiato.
• Compressione adiabatica isoentropica: trasformazione reversibile ad entropia costante, è ideale (priva di attriti). Il lavoro dipende esclusivamente dal rapporto di compressione e dal tipo di gas utilizzato.
• Compressione adiabatica irreversibile: è una trasformazione adiabatica (no scambi di calore con l’ambiente) che però risente degli attriti del fluido che si vengono a creare durante la trasformazione. Questi attriti causano un aumento dell’entropia finale del sistema con conseguente aumento della temperatura e del lavoro necessario per poter giungere alla pressione desiderata. La compressione è rappresentabile tramite una politropica equivalente, ovvero una trasformazione reversibile di compressione in cui il calore generato internamente viene fornito in ugual misura dall’esterno (la politropica equivalente non è adiabatica). Pertanto, confrontando la politropica equivalente con l’isoentropica si nota un incremento del lavoro dovuto al lavoro dissipato per attrito (che nella politropica corrisponde al calore scambiato con l’ambiente) e un incremento dovuto alla dilatazione del fluido prodotta dall’attrito stesso. Si conclude che in una compressione reale il lavoro risulterà sempre maggiore rispetto ad una compressione ideale, tale differenza è dovuta proprio al lavoro per bilanciare la dissipazione per attrito e il lavoro di controrecupero necessario per compensare la dilatazione del fluido. Più comprimo e più aumenterà il lavoro necessario, non solo perché devo arrivare a pressioni maggiori e perché aumenta via via il lavoro dissipato per attriti e dilatazione, ma anche per la divergenza delle isobare, la quale mi comporta una non linearità dell’aumento di lavoro. A bassa entropia le isobare sono più vicine di quando mi trovo ad entropia maggiore.

Lavoro di espansione

• Espansione isoterma: processo in cui ho tempi tendenti all’infinito, è quella che cede minor calore all’ambiente e quindi quella che produce più lavoro, è quella più complicata da realizzare.
• Espansione adiabatica isoentropica: entropia costante, non ho cessione di calore all’ambiente.
• Espansione adiabatica reale: come nella compressione, gli attriti che si generano nel fluido svolgono un ruolo centrale. La rappresento sempre tramite una politropica equivalente e ho due contributi che però adesso non sono più entrambi negativi. Se da una parte ho una perdita di lavoro a causa degli attriti, il lavoro che prima era perso per dilatazione del fluido adesso ha un effetto positivo poiché favorisce l’espansione. Prende il nome di lavoro di recupero. Arrivo ad una temperatura superiore di quella che raggiungerei con l’isoentropica, ho sempre meno lavoro di quello che ottengo con l’isoentropica, però parte di lavoro che prima perdevo a causa della dilatazione adesso è un contributo utile.

Ulteriori perdite sono quelle di pressione all’ingresso del compressore, nel combustore e all’uscita della turbina dovute alla presenza di filtri e diffusori.

Distinzione tra turbine aeronautiche e industriali

La principale distinzione è fra turbine aeronautiche e turbine industriali; la differenza fondamentale fra le due categorie sta nel fatto che le aeronautiche servono solamente a fornire una spinta in grado di far volare l’aeromobile mentre quelle industriali sono collegate ad un giunto meccanico o ad una rete elettrica col compito di alimentarli fornendo energia. Esistono due principali tipologie di GT per l’utilizzo industriale: le Heavy Duty e le Aeroderivate.

Le prime sono turbine con prestazioni medio-alte e sono progettate per un utilizzo costante su un lungo periodo di tempo. Hanno pertanto rapporti di compressione e temperature massime contenuti. Hanno un rendimento non troppo elevato ma, non avendo grosse limitazioni di dimensione e peso, riescono a garantire un buon livello di potenza utile. Le aeroderivate invece sono macchine il cui progetto originale è per un utilizzo aeronautico nel quale è richiesto il massimo delle prestazioni per poter garantire il volo. Hanno quindi beta e Tmax più elevati ma, dovendo garantire determinati valori di peso e dimensioni non hanno lo stesso livello di potenza prodotta.

Per le loro dimensioni però ne producono abbastanza per l’utilizzo industriale. Negli ultimi decenni è stato inoltre aggiunto il dovere di ridurre le emissioni inquinanti di NOx, CO e UHC (Unburned Hydro Carbons). Il problema dell’inquinamento è affrontato attraverso la ricerca di nuovi progetti dei componenti e di combustibili alternativi a quelli attuali. Nel prossimo futuro il fuel più quotato a prendere il posto ai gas naturali è l’idrogeno.

Con l’ingresso delle energie rinnovabili nella rete elettrica, si alternano sempre più frequentemente momenti a pieno carico e momenti a basso carico se non al minimo. Ciò è dovuto al fatto che le FER non garantiscono lo stesso quantitativo di energia 24 ore su 24 e quindi è necessario avere sempre a disposizione un impianto a vapore/combinato in grado sia di colmare le discontinuità temporanee sia di reggere da sé tutto il carico richiesto in assenza di energia proveniente dalle FER. Gli obiettivi saranno quindi quelli di fuel e load flexibility. Ovvero saper adattarsi all’arrivo di nuovi combustibili e alla possibilità di carichi differenti (modifiche off-design).

Riduzione dei costi di investimento e di manutenzione

• Miglioramento dei materiali e delle tecnologie metallurgiche
• Riduzione del numero dei componenti e della frequenza delle manutenzioni
• Introduzione di tecniche per la valutazione della vita residua
• Soluzioni per la pulizia del compressore (utilizzando aria ambiente, non sempre è pulita)
• Fuel alternativi
• Integrazione del carico con fonti di energia alternative

Incremento della potenza

• Innalzamento della temperatura massima (TIT Temperature Inlet Turbine) sopra i 1800K
• Efficienza del sistema di raffreddamento
• Steam cooling

Incremento del rendimento in ciclo combinato

• Incremento limitato del rapporto di compressione (15-20)
• Incremento della TIT (oltre 1800 K)
• Incremento della TOT (oltre 900 K)
• Efficienza del sistema di raffreddamento
• Steam cooling

Riduzione delle emissioni

• Abbassamento della temperatura di fiamma
• Dry Low NOx combustors
• Fuel alternativi
• Sistemi di assorbimento della CO2

Modifiche al ciclo

Per fare ciò, le principali modifiche al ciclo sono:

• Rigenerazione: utilizzo parte del calore in uscita dalla turbina utilizzato durante la fase di compressione (non utilizzata se non per far funzionare l’impianto a vapore)
• Intercooling: utilizzato più nel campo aeronautico piuttosto che industriale, utilizzato nelle twin-shaft fra LPC e HPC
• Re-heat: poco utilizzato nell’ambito industriale, molto praticato nel mondo aeronautico con una postcombustione a volte anche senza espansione
• Dual-Fuel Cycle: è spesso usata l’iniezione di vapore o acqua

Pressure gain combustion

È un processo che prevede l’incremento della pressione totale durante la combustione dentro la camera di combustione, ovvero dentro un volume fisso, cioè una combustione isocora. A parità di Tmax e di lavoro specifico del compressore, partendo dalle medesime condizioni ambientali, riuscirei ad ottenere una maggiore espansione e un minor aumento di entropia rispetto al ciclo Joule-Brayton classico; ho quindi un aumento del lavoro utile e del rendimento, tale ciclo prende il nome di Ciclo di Humphrey. La principale differenza fra i due cicli è proprio nella camera di combustione dove, nel primo caso, ho un’aggiunta di calore senza variazioni di pressione, nel secondo invece cerco di mantenere costante il volume della trasformazione.

Una trasformazione isocora la troviamo nei motori a combustione interna. In questo caso ho una macchina dinamica e non alternativa, non posso permettermi di introdurre delle valvole poiché queste andrebbero incontro ad usura troppo velocemente. Inoltre, andare ad intaccare con delle valvole i valori termodinamici delle turbine non sempre è una cosa buona, anzi. Nell’ultimo periodo sono stati e vengono studiati nuovi metodi di combustione o miglioramenti di quelli attuali per poter ottenere risultati migliori in termini di pressure gain.

La deflagrazione è un’onda di combustione che si propaga nella miscela combustibile a velocità subsonica con onde di pressione non molto veloci. È il sistema attualmente utilizzato nelle camere di combustione e, grazie a turbolenze, riesce ad avere una propagazione di calore e massa attraverso diffusione. Facendo ciò riesco ad ottenere una fiamma stabile di fronte però a perdite di carico. La detonazione è un’onda di combustione stazionaria che si propaga nella miscela combustibile a velocità supersonica. Per ora è stata provata solo in laboratorio ma, partendo dalle medesime condizioni della deflagrazione, mi farebbe arrivare a picchi di pressione e temperatura molto più elevate comportando un necessario raffreddamento in turbina.

Gas turbine cooled cycle

Con gli anni la temperatura massima del ciclo (T3) è salita costantemente fino a raggiungere i 1800K. Il problema è il materiale delle palette degli stadi della turbina. Mentre il compressore elabora aria a temperatura ambiente, la turbina elabora costantemente fumi a temperature estremamente superiori. Fino ad oggi non è stata trovata nessuna lega o materiale composito in grado di garantire le caratteristiche meccaniche alla temperatura di fiamma. È quindi necessario un sistema di raffreddamento per i NGV (Nozzle Guide Vane = Ugelli) e i primi stadi di turbina.

Il flusso dei fumi è molto veloce, è una deflagrazione (quindi subsonica) ma raggiunge comunque il centinaio di m/s (il flusso in uscita dal compressore arriva a 150 m/s). Il coefficiente di scambio termico (convettivo, non viene utilizzato un coefficiente liminare poiché l’irraggiamento viene trascurato in quanto sia il flusso che la parete avrebbero stessa radiosità) è fondamentale per poter raffreddare la pala, maggiore la velocità maggiore è lo scambio termico. Se non facessi nulla mi ritroverei in pochissimo tempo una pala surriscaldata se non in fase di fusione.

Per questo motivo ricorro ad una diversa architettura interna della paletta dove farò scorrere aria fredda. Se l’aria esterna ha un grande coefficiente di scambio termico per la grande velocità, per l’air cooling vado a lavorare sulle perdite di carico che, causando turbolenza e quindi maggior Re, aumentano il coefficiente di scambio termico. Inoltre, sono disposti fori sulla superficie delle palette dai quali esce un film di air cooling che va a proteggere ulteriormente la paletta creando uno strato di aria fresca che isola la paletta. Sarà tale strato a contatto con il flusso caldo e scambierà calore con esso. Il film cooling dopo poco si miscela col gas caldo, devo quindi garantire un continuo e più distribuito possibile ricambio d’aria.

Il principale problema dell’air cooling e del film cooling è la realizzazione delle palette. All’aumentare delle temperature avrò bisogno di architetture sempre più complesse e difficili da realizzare in officina. Il futuro sarà quindi gestito dalle stampanti 3D. Le palette non sono però dei veri e propri scambiatori, non hanno grandi capacità di scambiare calore. È per questo necessario anche un film cooling oltre all’air cooling. Un problema è che l’aria di raffreddamento è prelevata dalla compressione, ovvero aria su cui ho speso lavoro che utilizzo per diminuire il mio livello energetico (è un sistema necessario ma controproducente).

Ciò che vorrei quindi sarebbe diminuire la quantità di aria necessaria, per fare ciò è necessario, per esempio, diminuire l’area delle palette (maggiore la superficie a contatto col flusso, maggiore il calore scambiato, maggiore il film necessario) e cercare di migliorare la capacità delle palette di scambiare calore (a parità di T gas, maggiore la capacità, minore l’aria prelevata dal compressore). Se riuscissi ad aumentare il Cp (calore specifico) del coolant andrei a diminuire la portata di aria necessaria. L’aria però ha un Cp molto basso, molto più interessante è l’utilizzo di acqua o vapore (l’acqua sarebbe ottima ma comporta problemi di cambiamento di fase).

Per il raffreddamento ho più possibilità, posso scegliere un no mixing (cooling interno) o con mixing (air, steam, water). Scegliere fra mixing o no, al di là delle necessità della paletta, a me interessa dal punto di vista termodinamico valutando attentamente pressioni e temperature. Gli attriti ce li ho in entrambi i casi, le perdite di pressione sono inevitabili. Principalmente mi interessa condizione iniziale e finale, dove ho più guadagno economico sarà la soluzione su cui lavorare per portarla alla migliore forma. Il problema del mixing è che introduco maggiore portata da espandere, ciò fa aumentare la potenza prodotta ma comporta con sé numerose conseguenze, soprattutto il fatto che ciò che immetto non è più recuperabile (caso del vapore e dell’acqua) se dovessi andare a recuperare il fluido immesso andrei a complicare drasticamente tutta la macchina.

Il mixing dal punto di vista dell’architettura della paletta è più facile, non importa tanto come arriva il flusso alla pala, ce lo faccio arrivare e lo immetto nel flusso caldo. Nel no mixing invece avrò necessità di specificare la geometria della paletta.

Per quanto riguarda la percentuale di raffreddamento fra due punti, fra convezione o film di una stessa sostanza, non ho troppa differenza, entrambe comportano un forte raffreddamento del flusso. Aria in convezione a tau = 7 fa scendere la temperatura addirittura del 20%. Senza miscelazione io raffreddo invece solo lo stretto necessario. Con la miscelazione mangio 1/5 del salto entalpico. A me basterebbe ridurre solo il 3-4% come accade nel raffreddamento senza miscelazione, è inevitabile un raffreddamento del genere se attuo una miscelazione.

Nelle perdite di pressione invece la storia è diversa in base al fluido utilizzato: con la miscelazione riesco anche ad aumentare leggermente la pressione poiché aumento la densità del flusso mentre la velocità diminuisce. Perdite intermedie per la convezione di vapore e ancora inferiori per il film poiché aumenta la densità della miscela del fluido in espansione e ho più portata (la densità bilancia la diminuzione della velocità).