Turbine a gas

Gli impianti con turbina a gas, o gruppi turbogas, sono motori termici nei quali l’energia

chimica di un combustibile viene convertita in energia meccanica, impiegando come fluido

operatore in turbina una miscela gassosa formata da aria e prodotti della combustione.

Sono fra gli ultimi impianti termici ad essere stati messi a punto per la produzione di energia

elettrica e per la propulsione. Sebbene l’impianto con turbina a vapore presenti vantaggi

legati alla possibilità di erogare grandi potenze con alti valori di rendimento globale, risulta

comunque afflitto da alcuni difetti che ne penalizzano più vasti impieghi: le dimensioni ed il

peso elevati, la richiesta di ingenti portate di fluido di raffreddamento, l’alto contenuto di

sostanze inquinanti allo scarico e i tempi lunghi di avviamento (circa 24h). Il vantaggio dei

motori alternativi a combustione interna è il loro alto rendimento globale e le loro dimensioni

contenute. Il loro problema si riscontra su larga scala (quando è necessario erogare grandi

potenze- propulsioni in aerei e navi), per via della loro complessità strutturale (complicazioni

architettoniche).

Le approfondite conoscenze maturate in campo termodinamico e meccanico permisero la

realizzazione di impianti con turbina a gas che presentavano i classici elementi costruttivi

che si ritrovano nei gruppi moderni: un compressore dinamico, che aspira l’aria

dell’atmosfera e la porta alla pressione di esercizio; una camera di combustione, dove il

fluido operatore viene riscaldato dal calore rilasciato dalla combustione in seno all’aria

stessa (combustione interna) di un combustibile liquido o gassoso; una turbina, dove il fluido

si espande rendendo disponibile lavoro meccanico, utilizzato nel trascinamento sia dal

compressore che dell’utilizzatore.

A causa delle limitate conoscenze in campo fluidodinamico ed aerodinamico ed a causa dei

problemi legati ai limiti di resistenza termo meccanica dei materiali, per lungo tempo gli

impianti motori con turbina a gas non furono in grado di produrre lavoro utile; in molti casi la

potenza erogata dalla turbina non era sufficiente nemmeno per trascinare il compressore:

non bisogna dimenticare che, essendo un fluido operatore aeriforme, il lavoro di

compressione non solo è trascurabile ma è addirittura rilevante.

Impieghi

L’estrema rapidità di messa in servizio a pieno carico (circa 1h) li rende idonei all’utilizzo

nella produzione di energia elettrica come gruppi di punta; poiché la

potenza assorbita dalla rete è variabile, sia di giorno che durante l’anno,

e gli interventi di regolazione risultano economicamente onerosi, le

aziende elettriche preferiscono ripartire la copertura del fabbisogno

elettrico allestendo due parchi di centrali elettriche: al primo, è costituito

da centrali elettriche ad alto rendimento (gruppi di base) (centrali a

vapore) è affidata la copertura del fabbisogno medio; il secondo,

costituito da gruppi di punta ossia da centrali rapide nel seguire le

variazioni di carico della rete (turbina a gas), provvede la copertura dei

picchi di carico.

I gruppi turbogas trovano impiego nella propulsione aeronautica e navale

e nella trazione terrestre veloce in sostituzione dei motori endotermici

alternativi, grazie alla loro bassi rapporti peso/potenza.

In campo aeronautico si registra un doppio utilizzo della turbina a gas:

come turbogetto, motore termico in grado di generare una spinta

propulsiva a seguito della variazione della quantità di moto indotta nel fluido che lo

attraversa; oppure come turboelica, la turbina cede lavoro meccanico ad un'elica o ad un

rotore posti anteriormente al gruppo.

Nella trazione terrestre e nella propulsione navale le turbine a gas si stanno affermando in

misura sempre maggiore: la possibilità di erogare elevate potenze con bassi ingombri le

rende preferibili ai motori Diesel in tutti i casi dove è essenziale limitare le dimensioni del

veicolo oppure ottimizzare lo sfruttamento degli spazi. In campo militare, permette di

disporre di imbarcazioni e carri armati piccoli e veloci o dotati di un maggiore armamento o

di una maggiore autonomia.

I componenti dell’impianto

Un gruppo turbogas è formato dalle seguenti macchine:

● Compressore dinamico assiale [C], aspria (1) e

comprime l’aria portandola alla pressione di

esercizio (2); il rapporto fra il valore della pressione

dell’aria alla bocca di mandata e quello alla bocca

di aspirazione è chiamato rapporto di

compressione , ed è caratteristica della macchina.

β

Per limitare le dissipazioni energetiche, il

compressore è accoppiato direttamente all’albero

della turbina senza interposizione di riduttori di

velocità. Anche in presenza di un elevato

rendimento meccanico del riduttore, la perdita

energetica risulterebbe comunque inaccettabile perché causerebbe un incremento

dei costi legato all’introduzione di scambiatori di calore per lo smaltimento della

potenza termica generata per attrito.

● Camera di combustione [C.C.], dove l’aria compressa subisce un riscaldamento ed

un conseguente aumento di volume specifico (3). Nelle camere di combustione delle

turbine a gas il combustibile brucia in seno al fluido operatore stesso, modificando la

massa e la composizione chimica. Visto che per ogni kg d'aria sono iniettati mkg di

combustibile, in uscita da C.C. il fluido operatore risulta costituito da (1+m)kg di

miscela gassosa formata da aria e prodotti della combustione.

Per rispettare i limiti di temperatura imposti all’ingresso della turbina dalla resistenza

termomeccanica dei materiali, il processo di combustione è condotto con valori molto

alti del rapporto massico aria/combustibile. Nei gruppi turbogas gli elevati valori di

eccesso d’aria non causano una diminuzione del rendimento di combustione perché i

fumi non dissipano calore sensibile.

Visto che le pale delle turbine si trovano in condizioni termomeccaniche critiche,

devono essere impiegati combustibili liquidi e gassosi a bassa aggressività

meccanica e chimica che limitano l'inquinamento ambientale degli impianti.

● Turbina a gas [TG], il fluido aeriforme si espande convertendo parte del salto

entalpico in lavoro meccanico; da TG i gas espansi vengono scaricati in atmosfera

nello stato fisico 4. Il rendimento globale è tanto maggiore quanto è più elevata la

temperatura , diviene indispensabile disporre di materiali ad elevata resistenza allo

3

scorrimento plastico (creep viscoso) alle alte temperature

● Alternatore [ ]

∼

● Motore di lancio [M]: trascina il compressore fino a quando la turbina non raggiunge

il della velocità angolare massima.

10 ÷ 30%

Ciclo di Brayton

Impianti con turbina a gas funzionanti secondo un ciclo a combustione a pressione costante,

in cui il fluido motore opera in circuito aperto. Esistono anche impianti che operano in circuito

chiuso dove il fluido alla fine dell’espansione non viene scaricato in atmosfera ma è riportato

alla bocca di aspirazione del compressore: non è possibile eseguire una combustione in

seno al fluido, la somministrazione e la cessione di calore avvengono tramite scambiatori.

Alcune considerazioni sulle trasformazioni reali subite dal fluido:

1. Durante la fase di riscaldamento in camera di combustione il fluido varia sia la massa

che la composizione fisico-chimica; non solo le due turbomacchine (compressore e

turbina) non sono attraversate dalla stessa portata massica ma neppure dallo stesso

fluido.

2. Il ciclo percorso dal fluido di lavoro non è chiuso perché la cessione di calore avviene

direttamente in atmosfera (trasformazione 4-1).

3. La compressione e l’espansione reali non sono trasformazioni reversibili.

Non sarebbe possibile studiare l’evoluzione degli stati fisici del fluido operatore facendo

ricorso ad un diagramma termodinamico, infatti introducendo opportune ipotesi è possibile

ricondursi ad un particolare ciclo termodinamico: il ciclo Brayton, si

possono dedurre utili indicazioni di carattere qualitativo sul

funzionamento delle turbine a gas.

Le ipotesi che permettono di effettuare l’analisi termodinamica

sono le seguenti:

1. Il fluido percorre un ciclo chiuso, si suppone che la

cessione di calore alla sorgente a temperatura più fredda

avvenga tramite uno scambiatore.

2. Il fluido operatore è costituito da sola aria: equivale a

considerare uguale la portata massica che attraversa le due

turbomacchine ed a trascurare le variazioni esistenti nelle

proprietà fisico-chimiche dell’aria e dei gas combusti;

ipotesi giustificate dall’alto valore del rapporto massico aria/combustibile.

3. Tutte le variazioni di stato si svolgono in modo estremamente lento.

4. Si trascurano le perdite di carico indotte nell’attraversamento di C.C., si assume che

la combustione avvenga a pressione costante.

5. La trasformazione 4-1, in cui il fluido cede calore all’atmosfera, ha luogo a pressione

costante.

6. La compressione e l’espansione e l’espansione del fluido operatore sono

isoentropiche.

Ora è possibile descrivere il ciclo ideale di Brayton, facendo riferimento al diagramma T-s,

tale ciclo risulta composto da:

- una compressione isoentropica 1-2 dove la pressione dell’aria viene elevata da a

1

;

2

- un riscaldamento 2-3 eseguito a pressione costante, che porta il fluido alla

temperatura massima . Il suo scopo è di aumentare il volume specifico del fluido

3

per ottenere in turbina il miglior lavoro specifico possibile.

- un’espansione isoentropica in turbina 3-4;

- un raffreddamento 4-1 dove il fluido cede calore all’esterno a pressione costante.

Se è il lavoro specifico di espansione ed il lavoro specifico di compressione, la

condizione di autosufficienza del gruppo assume la seguente forma:

= − ≥ 0

dove è il lavoro specifico utile ricavabile dell’impianto.

In base alle ipotesi f