Impianto turbina a gas

Applicazione dell'interefrigerazione

Quando applico l'interefrigerazione divido la compressione in due parti: la prima parte è in comune (tra 1 e 2, lungo la stessa curva), la seconda parte (1' e 2'') è invece diversa perché raffreddo l'aria in modo da dover fare meno lavoro per la seconda parte di compressione perché la densità è aumentata, il volume specifico è diminuito.

Quindi faccio meno lavoro per comprimere tra 1' e 2'' rispetto a quello che avrei dovuto fare tra 2 e 2'. Il minor lavoro necessario per comprimere equivale ad un aumento del lavoro utile: Lu = Lt - Lc.

Andando ad esprimere Luint, facendo comparire il rapporto di compressione, derivando l'espressione rispetto a beta e ponendo la derivata uguale a ø, otteniamo che, se definiamo:

Tenendo conto che le due compressioni dovranno dare globalmente lo stesso rapporto di compressione fornito dal ciclo semplice, mettendo a sistema:

Si dimostra facilmente che per massimizzare

Lu bisogna fare in modo che devo suddividere la compressione in modo che il rapporto di compressione di un compressore è uguale all'altro. Quindi per massimizzare Lu devo fare un modo che i due beta siano uguali.

In ascissa il rapporto di compressione 2 e in ordinata avremo Lu nullo quando - vuol dire che non stiamo facendo l'interrefrigerazione, il punto 2 coincide con il punto 2'. Analogamente Lu è nullo quando vuol dire che e che ci troviamo quindi nuovamente nel ciclo semplice.

Il rendimento è la media pesata sul calore che stiamo fornendo nei due cicli dei rendimenti dei cicli A e B. Il ciclo B è il ciclo semplice, il ciclo A (non è un vero ciclo) è un pezzo che aggiungiamo facendo l'inter. Il rendimento dell'Inter-refrigerazione è maggiore del ciclo semplice solo quando il rendimento del ciclo A è maggiore del rendimento di B. Vi saranno quindi dei valori di beta2 per il quale il rendimento del ciclo.

con inter refrigerazione è maggiore del ciclo semplice e dei valori di beta2 per i quali è minore. In ordinata il rendimento del ciclo, in ascissa il lavoro utile specifico. Le due curve più in basso sono riferite a impianti di piccola taglia con una T massima di 1100°C. Le due curve più in alto sono rappresentative di impianti di taglie più grandi con T di ingresso turbina (T max del ciclo) di 1280°C. Quella a sinistra è riferita al ciclo semplice e quella a destra è riferita al ciclo con inter refrigerazione. I pallini neri fanno riferimento ai diversi valori di beta complessivo. Il lavoro utile è maggiore nel ciclo con inter refrigerazione (sempre). Il lavoro utile è maggiore tanto più è elevato il beta. Quanto più è elevato il beta complessivo tanto più conviene adottare un ciclo con inter refrigerazione. Il rendimento per grande taglia è molto simile tra i due cicli, almeno che non abbiamo

a che fare con beta molto elevati. Sulle piccole taglie è più marcata la differenza dei rendimenti, perché già per beta=9 abbiamo un aumento del rendimento con il ciclo A. Aggiungere un inter refrigeratore comporterà però aumentare gli ingombri, i pesi, l'utilizzo di due compressori invece che uno (per questo generalmente non utilizzati nell'applicazione aeronautica). Deriva da un core aeronautico cs6 80 in grado di sviluppare una potenza di 60 MW con l'Inter refrigeratore siamo arrivati ai 100 MW e con un Turbogas con un rendimento pari al 46%. La post-combustione, o ri-combustione, consiste nell'effettuare l'espansione da p3 a p4 in due turbine distinte T3 (alta pressione) e T4 (bassa pressione), e nell'interporre tra queste un combustore in modo da aumentare il lavoro estratto dalla turbina. La prima parte è analoga al ciclo semplice, l'aria viene compressa, poi passa nella CC, reagisce con il

Il combustibile viene utilizzato per l'espansione nel primo corpo turbina. Dopo la prima parte di espansione, i gas di scarico, che contengono ancora aria non bruciata, possono essere utilizzati come comburente per una post combustione nel post combustore. Successivamente, i gas di scarico vengono espansi in un secondo corpo turbina e poi scaricati nell'ambiente esterno. Il prodotto dei due rapporti di espansione delle turbine 3 e 4 deve essere uguale al beta del ciclo semplice. Nella prima espansione, non si raggiunge la pressione ambiente, quindi viene effettuata una seconda combustione nel post combustore tra 4 e 3'. Nella seconda espansione (turbina T4), si ottiene un lavoro maggiore rispetto a quello che si avrebbe se si completasse l'espansione tra 4 e.4’ nella prima turbina —

4’

-

h4”

>

h4-

h4’

Abbiamo aumentato il lavoro utile specifico perché è aumentato il lavoro estratto dalle turbine.

T3'-T4'':

lavoro che estraiamo nella 2ª parte di espansione con post-combustione

T4-T4':

lavoro che avrei estratto dalla seconda parte di espansione se non avessi fatto la post-combustioneAnche in questo caso il confronto lo facciamo solo sul secondo tratto di espansione perché il primo tratto è in comune.Per massimizzare il rendimento (raccogliendo le T e sostituendo il rapporto delle T con i rapporti di p in modo da far comparire beta) dellavoro utile con post combustione dobbiamo imporreDa questo diagramma notiamo che a parità di beta, il rendimento con inter. è superiore a quellocon post combustione e che il beta che dobbiamo imporre per avere un vantaggio anche intermini di rendimento con la post combustione è maggiore rispetto a quello chedell'uscita dalla turbina di bassa p. L'aria passa infine nella turbina di bassa p e viene espulsa nell'ambiente esterno. Le tecniche di intercooler e post-combustore sono utilizzate per aumentare il rendimento del ciclo. L'intercooler raffredda l'aria compressa tra i due compressori, riducendo così il lavoro richiesto al compressore di alta pressione. Il post-combustore, invece, permette una seconda combustione dell'aria esausta dalla turbina di alta pressione, aumentando così la temperatura e la pressione dell'aria in ingresso alla turbina di bassa pressione. L'utilizzo di entrambe le tecniche insieme, o anche solo una di esse, permette di ottenere rendimenti superiori rispetto al ciclo semplice indicato con eta segnato. Questo è particolarmente vantaggioso nei primi anni, quando i rendimenti del ciclo semplice erano molto bassi. In questo modo, si potevano raggiungere rendimenti comparabili con quelli delle altre tipologie di impianto. La sequenza di passaggio dell'aria nel ciclo con inter e post è la seguente: l'aria entra nel compressore di bassa pressione, poi passa nell'inter-refrigeratore, successivamente passa nel secondo compressore di media pressione, poi nell'intercooler (secondo inter-refrigeratore) e infine nel compressore di alta pressione. L'aria attraversa poi il rigeneratore, dove viene preriscaldata prima di entrare nel primo combustore. Passa poi nella turbina di alta pressione, successivamente passa in un post-combustore dove si realizza una seconda combustione e si aumenta la temperatura prima dell'uscita dalla turbina di bassa pressione. L'aria viene infine espulsa nell'ambiente esterno.

di far avvenire una seconda espansione nella turbina di bassa p.T4 è maggiore rispetto alla T che avremmo avuto senza post-combustione e T2 è minore rispetto a quella che avrei avuto senza rigenerazione. Combinando le due tecniche ho allontano maggiormente le due temperature T4 e T2 (ecco perché è conveniente applicare l'Inter-refrigeratore) Hanno ottenuto un rendimento così alto applicando tutte e tre le tecniche.

• Compressori
• Combustori o camere di combustione
• Turbine

È il primo componente che il fluido incontra, aumenta la pressione dell'aria che l'attraversa. È sempre trascinato direttamente dalla turbina. Solitamente si trovano assiali, ma per impianti di piccola taglia anche radiali. Quello assiale consente di smaltire portate maggiori rispetto a quello radiale, ma per contro permette di realizzare rapporti di compressione per singolo stadio molto più contenuti rispetto a quelli ottenibili con un

singolo stadio di compressore radiale. Per compressore radiale per un singolo stadio abbiamo beta da 4 a 6, mentre per quello assiale 1.1 - 1.3. Il numero di stadi varia solitamente tra 10 e 20. Quindi un compressore assiale a parità di beta è costituito da molti più stadi. La velocità di rotazione dei compressori dipende dall'utilizzatore, se produciamo energia elettrica ruoterà a una velocità che dipende dalla frequenza di rete, per applicazioni differenti le velocità saranno maggiori. Il compressore presenta delle perdite di due nature: perdite interne ed esterne, sono responsabili della diminuzione del rendimento. Le perdite interne sono dovute al percorso del fluido all'interno della macchina: - Perdite di profilo e di incidenza: - Perdite di profilo: lo strato di fluido più vicino al bordo viene rallentato dalla superficie stessa, questo viene chiamato strato limite, man mano che ci allontaniamo dalla superficie

la velocità aumenta.

Flusso indisturbato: flusso che non si accorge dalla presenza della parete, non è più inficiato dall'attrito.

A causa dell'attrito abbiamo perso energia.

Le perdite di profilo sono dovute allo strato limite che si sviluppa sull'intradosso ed sull'estradosso della pala.

Si misurano generalmente in mezzeria (a metà dell'altezza palare) perché è la regione dove non si verificano altri fenomeni che danno origine ad altre perdite.

Perdite di incidenza: l'angolo di incidenza è l'angolo formato tra la direzione del flusso che impatta sulla pala e la direzione dell'ingresso della pala. In teoria il flusso è diretto secondo la tangente allo scheletro in corrispondenza del bordo d'ingresso, ma nella realtà molto spesso ho direzione diversa e l'angolo di incidenza è diverso da zero, posso avere un'incidenza positiva o negativa. incidenza < 0 :

carico meno la palaincidenza > 0 : sottopongo a curvatura più ampia la pala e di conseguenza la forza scambiata tra pala e fluido sarà maggiore Nelle condizioni di fuori progetto l'angolo del flusso e l'angolo della pala sono diversi, quindi abbiamo una certa incidenza che provoca le perditedi incidenza. • perdite per flussi secondari: se ci avviciniamo alla superficie di mozzo (dell'albero) e di cassa vi sono gli strati limite che si sviluppano anchesu queste due superfici. Quando gli strati limiti, che rappresentano la non uniformità di velocità, passano tra una pala e l'altra sono sottopostia una forte variazione di pressione. Tra l'intradosso di una pala e l'estradosso dell'altra vi è un forte gradiente di pressione. Quando lo strato limite (che ha un gradiente di velocità) passa all'interno di un gradiente di pressione il flusso non è più 2D, ma si creano dei vortici che

I flussi secondari dissipano energia: vengono chiamati flussi secondari perché non evolvono nella direzione principale (perpendicolare al piano "ideale" del fluido), ma in una direzione trasversale rispetto a quella principale.