Le turbine a gas rappresentano un pilastro fondamentale nella produzione di energia e nella propulsione, dall'aeronautica ai trasporti terrestri e marittimi. Per garantire il funzionamento delle turbine a gas alla massima efficienza, un obiettivo primario per gli operatori è il controllo accurato di vari parametri operativi, tra cui le temperature dei gas di scarico (EGT) e quelle all'interno del sistema di aspirazione. Nell'attuale clima economico, tutto ciò che aumenta la produttività e, di conseguenza, il profitto, è accolto con favore. Da un punto di vista ambientale, è altrettanto importante che le turbine operino nel modo più efficiente possibile e producano il minor numero di emissioni.
Principi di Funzionamento della Turbina a Gas
Una turbina a gas, nella sua configurazione più semplice, è costituita da un compressore calettato sullo stesso albero di una turbina e da una camera di combustione situata tra questi due componenti. Il principio di funzionamento è il seguente: l'aria è aspirata e compressa dal compressore, che la immette nella camera di combustione. Qui, l'aria viene miscelata al combustibile che, con la sua ossidazione, innalza l'entalpia della corrente gassosa. Questa corrente prosegue il suo percorso passando negli stadi della turbina, dove ha la possibilità di espandersi, cedendo energia alla turbina stessa. Come per qualunque macchina termica, un'alta temperatura di combustione produce un alto rendimento, come dimostrato nell'ideale Ciclo di Carnot, col quale si dimostra che il rendimento è tanto più elevato quanto più è basso il rapporto tra le temperature minima e massima del ciclo.
Il compressore è il componente del motore che innalza la pressione del fluido in ingresso riducendone il volume. Nelle turbine a gas può essere di tipo assiale o centrifugo. Le palette dei primi stadi del compressore assiale, specialmente nei motori aeronautici che devono resistere all'impatto con volatili, sono spesso costruite in titanio per ridurre le masse in rotazione ed aumentarne la resistenza meccanica. Il compressore, a differenza della turbina, trovandosi ad operare in un gradiente di pressione avverso (la pressione aumenta durante l'avanzamento del flusso), ha un numero di stadi molto maggiore di quello della turbina pur operando praticamente sullo stesso salto di pressione.
La Temperatura dei Gas e i Limiti Materiali
Il fattore limitante principale per le prestazioni delle turbine a gas è la capacità dei materiali che le costituiscono (acciaio, superleghe a base nichel e materiali ceramici) di resistere allo scorrimento viscoso (creep), tipico delle alte temperature, e alle sollecitazioni meccaniche cui si trovano ad operare. La temperatura di fiamma per una combustione a titolo stechiometrico è di circa 2200 °C, ben al di sopra di quella sopportabile dai materiali che costituiscono la turbina. Questo rende la turbina il componente più critico del motore, in particolare le palette dei primi stadi.
Per ovviare a questo problema e consentire l'esposizione dei componenti a temperature sempre maggiori (fino a 1600 °C), vengono utilizzate diverse tecniche di raffreddamento:
- Raffreddamento interno: aria spillata dal compressore viene immessa in palette cave, operando un raffreddamento dall'interno.
- Film cooling: la palettatura presenta piccoli forellini, opportunamente orientati, attraverso i quali aria spillata da uno stadio di compressione (a pressione superiore a quella dello stadio di turbina che andrà a raffreddare) che passa nella paletta cava raffreddandola dall'interno, fuoriesce e segue una direzione che gli permette di aderire alla superficie della lama e di creare uno strato isolante tra i gas incandescenti e la superficie della pala.
- Rivestimenti ceramici: applicati soprattutto nei motori aeronautici, questi rivestimenti consentono di proteggere il componente dalle temperature estreme.
L'Importanza della Temperatura dell'Aria in Ingresso
Il controllo dell'umidità e della temperatura dell'aria nella camera di combustione è uno dei metodi più importanti per migliorare la potenza della turbina a gas, in quanto ha un effetto diretto sull'efficienza, sulle emissioni e sull'affidabilità operativa della turbina.
L'aria più fresca e più densa aumenta la resa e l'efficienza. In termini di efficienza della turbina a gas, l'effetto della densità dell'aria è ben noto: l'aria di aspirazione più densa aumenta la portata massica, il che si traduce in un miglioramento della potenza e dell'efficienza della turbina. La densità dell'aria è inversamente proporzionale alla temperatura, pertanto l'aumento della temperatura diminuisce la densità dell'aria e quindi riduce l'efficienza e la potenza della turbina a gas.
Il raffreddamento dell'aria in ingresso, specialmente in ambienti caldi e temperati, viene comunemente utilizzato per compensare la perdita di efficienza causata dall'elevata temperatura dell'aria. Anche una piccola riduzione della temperatura dell'aria può portare a un aumento significativo della potenza erogata. Una riduzione di 1°C della temperatura dell'aria può aumentare la produzione fino allo 0,5%.
Il funzionamento di una Turbina a gas
Tecniche di Raffreddamento dell'Aria Aspirata
Esistono diverse tecniche per raffreddare l'aria aspirata:
- Nebulizzazione: una soluzione comune è il nebulizzatore, un sistema che inietta acqua nel flusso d'aria attraverso degli ugelli, facendo raffreddare l'aria man mano che le goccioline d'acqua evaporano. Un vantaggio secondario della nebulizzazione è che la maggiore umidità dell'aria riduce le emissioni di NOx prodotte dal processo di combustione.
- Refrigerazione: l'utilizzo di sistemi di refrigerazione per pre-raffreddare l'aria in ingresso.
Oltre al raffreddamento dell'aria in ingresso in presenza di temperature calde o temperate, l'umidità può anche essere un fattore critico per evitare la formazione di ghiaccio nei climi freddi. Se l'aria umida è vicina al punto di congelamento, sono necessari sistemi antigelo per proteggere il compressore dai danni che potrebbero causare particelle di ghiaccio in rapido movimento.
Controllo Ottimale e Misurazione dell'Umidità
Data l'elevata velocità dell'aria all'interno del sistema di immissione, è necessario impedire alle gocce d'acqua e alle particelle di ghiaccio di entrare nel compressore e nella turbina per evitare costosi danni ed erosione. Nella pratica, ciò significa che l'umidità dell'aria deve essere mantenuta al di sotto dei livelli di saturazione. In altre parole, per evitare la condensa, la temperatura del punto di rugiada dell'aria che entra nel sistema deve essere inferiore alla temperatura dell'aria e della superficie del sistema. Il sistema di controllo deve avere un margine di sicurezza per consentire incertezze di misura, nonché fluttuazioni e irregolarità nelle proprietà dell'aria da misurare. Tuttavia, più ampi sono i margini necessari a causa delle incertezze di misura, maggiore è il potenziale di efficienza che si perde. Questo è il motivo per cui una misura dall'affidabilità elevata risulta particolarmente redditizia. La misura accurata del punto di rugiada consente di eseguire il raffreddamento e la nebulizzazione, o persino il riscaldamento, il più vicino possibile al limite di condensa o di formazione di ghiaccio all'interno del sistema.
Espressione dell'Umidità: Diverse Metriche
A seconda dell'applicazione, vengono utilizzati termini differenti per esprimere l'umidità. Questi includono, ma non sono limitati a, umidità relativa, temperatura del punto di rugiada e temperatura del bulbo umido.
Umidità Relativa (RH): è il rapporto tra la pressione parziale del vapore acqueo e la sua pressione satura a una particolare temperatura. L'umidità relativa viene espressa in percentuale ed è generalmente utilizzata per descrivere l'umidità dell'aria presente nell'ambiente. Lo svantaggio dell'utilizzo dell'umidità relativa è che dipende fortemente dalla temperatura. Ad esempio, se l'umidità relativa è pari all'85% e la temperatura a 20°C, una diminuzione della temperatura dell'aria di soli 2°C modifica l'umidità relativa a un valore pari al 96%. Se l'umidità relativa viene utilizzata per misurare l'umidità dell'aria nell'ingresso di una turbina, è necessario tenere in considerazione questo legame perché, anche senza raffreddamento o riscaldamento, la temperatura dell'aria cambia nel sistema di immissione dell'aria. L'effetto principale è il raffreddamento dovuto all'accelerazione dell'aria alla bocca svasata del compressore, che può causare un calo di temperatura di diversi °C. A causa di questo effetto di raffreddamento sussiste ancora il rischio di formazione di ghiaccio anche quando la temperatura ambiente è superiore a 0°C.
Temperatura del Punto di Rugiada (Td): è la temperatura alla quale l'aria, quando raffreddata a pressione costante, diventa completamente satura di vapore acqueo con conseguente formazione di acqua liquida, nota come condensa. Con un valore di umidità relativa pari al 100%, la temperatura ambiente corrisponde alla temperatura del punto di rugiada, ma quando la temperatura del punto di rugiada è inferiore alla temperatura ambiente, l'aria diventa più secca e quindi sussiste un rischio minore di formazione di condensa. I due principali vantaggi dell'utilizzo della temperatura del punto di rugiada sono che non dipende dalla temperatura e fornisce direttamente il margine alle condizioni di condensazione.
Temperatura del Bulbo Umido (Tw): è la temperatura indicata da un termometro avvolto in una guaina bagnata. La temperatura del bulbo umido e la temperatura ambiente possono essere utilizzate per calcolare l'umidità relativa o il punto di rugiada. La temperatura del bulbo umido è un metodo tradizionale per determinare l'umidità, ma è stato in gran parte sostituito da misure dirette a causa dell'accuratezza limitata e delle competenze richieste per l'utilizzo.
Tutti i parametri di umidità sopra indicati dipendono dalla pressione, ma per le applicazioni di aspirazione dell'aria i tipici cali di pressione sono così ridotti che non hanno un effetto significativo. Ad esempio, a 20°C e 1.013 mbar, una riduzione della pressione di 20 mbar provoca una diminuzione dell'1,7% dell'umidità relativa o di 0,3° C della temperatura del punto di rugiada.
Fattori che Influenzano la Precisione della Misura
Vi sono molti fattori che influenzano la precisione della misura dell'umidità e la tecnologia di rilevamento di base è la più ovvia. Tuttavia, è stato dimostrato che i sensori polimerici a film sottile soddisfano le esigenze più critiche nel monitoraggio dell'aria in ingresso: precisione, robustezza, stabilità a lungo termine e manutenzione ridotta. Poiché l'aria nell'ingresso può essere molto vicina alla saturazione, e forse persino alla formazione di condensa, il sensore deve mantenere la precisione anche in queste condizioni. La sfida per un sensore di umidità nell'aria di condensazione è che se il sensore si bagna, le misure continueranno a mostrare condizioni sature fino a quando il sensore non si asciuga, anche se l'aria stessa non è più satura. Per ovviare a questo problema, Vaisala ha sviluppato una tecnologia brevettata con sonda riscaldata. Ciò garantisce che la temperatura della sonda sia mantenuta al di sopra della temperatura dell'aria circostante per evitare la condensa sul sensore stesso. A seconda del sistema e della posizione esatta di installazione, eventuali schizzi d'acqua diretti potrebbero bagnare il sensore di umidità, pertanto sono disponibili accessori di montaggio specifici per evitare che ciò accada.
Nelle centrali elettriche e negli ambienti inquinati, l'aria di aspirazione può contenere contaminanti, che possono influire sulla precisione del sensore a lungo termine.
Recupero di Calore e Rendimento
In molte applicazioni si cerca anche di recuperare il calore allo scarico, altrimenti dissipato. Nella configurazione del ciclo combinato, la caldaia a recupero trasferisce il calore ad un sistema che alimenta una turbina a vapore. Nel caso della cogenerazione il calore recuperato serve per produrre acqua calda. Il recupero di energia permette di innalzare il rendimento dal 40% del ciclo semplice al 60% del ciclo combinato.
Tipologie e Applicazioni delle Turbine a Gas
In generale, al diminuire della taglia della turbina aumenta la velocità di rotazione dell'albero (o degli alberi), in quanto la velocità tangenziale delle pale è un limite progettuale. Le caratteristiche delle turbine a gas le rendono adatte alla produzione di grandi quantità di energia con ingombri assai limitati.
Propulsione aeronautica: la turbina trova impiego nel turboreattore, dove ha il compito di generare una spinta sia direttamente (come nel turbogetto), sia indirettamente (muovendo un'elica come nella turboelica).
Generazione elettrica: può essere accoppiata a un ciclo semplice a vapore (centrale a ciclo combinato) oppure (come nella centrale a turbogas) direttamente collegata ad alternatori. La taglia delle turbine industriali va da impianti mobili trasportabili su camion a grandi macchine di elevata complessità, del peso di oltre 400 tonnellate. Le turbine a gas in ciclo semplice richiedono un costo di investimento minore rispetto a cicli combinati, centrali convenzionali a carbone o impianti nucleari e possono essere progettate per generare grandi o piccole potenze. Inoltre il tempo di costruzione può andare da poche settimane ad alcuni mesi, mentre gli altri tipi di impianto richiedono anni. Un altro vantaggio delle turbine a gas in ciclo semplice è la capacità di accensione e spegnimento in tempi dell'ordine dei minuti, consentendo quindi di far fronte a picchi di richiesta.
Microturbine: stanno raggiungendo una notevole diffusione nella generazione distribuita e nella cogenerazione. Parte del loro successo è dovuto al progresso in campo elettronico, che consente esercizio e connessione alla rete elettrica anche in assenza di un operatore, cioè da telegestione. La tecnologia dell'elettronica di potenza elimina la necessità di sincronizzare il generatore alla rete. I sistemi con microturbine hanno molti vantaggi rispetto ai generatori azionati da motori alternativi, come l'alta densità di potenza (rispetto all'ingombro ed al peso), basse emissioni e un numero minore di parti in movimento. Le microturbine progettate con cuscini ad aghi e raffreddamento ad aria operano senza olio, refrigeranti ed altri fluidi pericolosi. Le microturbine possono utilizzare la maggior parte dei combustibili commerciali, come il gas naturale, il propano, il gasolio, il cherosene. Le microturbine consistono di solito in un compressore centrifugo a una girante, una turbina centripeta a singolo stadio e da un rigeneratore. I rigeneratori sono difficili da progettare e costruire perché operano in presenza di alte pressioni e temperature. Tipicamente l'efficienza di una microturbina in ciclo semplice varia dal 25 al 35%. Le macchine aventi potenza inferiore alla decina di kW sono indicate spesso in letteratura come ultramicroturbine a gas.
Unità di Potenza Ausiliarie (APU): sono piccole turbine a gas progettate come fonte di energia ausiliaria per macchine più grandi, solitamente aeromobili.
Trasporti terrestri e marittimi: le turbine a gas sono utilizzate su navi, locomotive, elicotteri e carri armati.
Automobili: il primo prototipo di autovettura con propulsione a turbina venne sviluppato negli anni tra il 1948 ed il 1954 dalla FIAT con l'avveniristica Fiat Turbina, collaudata il 4 aprile del 1954 sulla pista del Lingotto. Nel 1950, il progettista F. R. Bell ed il Responsabile d'Ingegneria Maurice Wilks della fabbrica automobilistica britannica Rover presentarono la prima automobile motorizzata con un turbogas. La biposto JET1 raggiunse la velocità massima di 140 km/h, con un regime della turbina di 50.000 giri/min, collegata alle ruote tramite un riduttore. L'automobile poteva essere alimentata con benzina, paraffina o gasolio, ma i consumi si rivelarono insostenibili per un lancio sul mercato. Il veicolo è attualmente visibile al Museo delle Scienze di Londra. La Rover ed il Team di Formula 1 BRM unirono le forze per produrre un coupé motorizzato con turbogas, che partecipò nel 1963 alla 24 Ore di Le Mans. Nel 1967 e nel 1968 l'imprenditore statunitense Andy Granatelli iscrisse alla 500 miglia di Indianapolis una vettura da lui progettata e realizzata che montava un turbogas costruito dalla Pratt & Whitney, ottenendo prestazioni impressionanti. Nel 1971 il Presidente e fondatore della Lotus, Colin Chapman, introdusse in Formula 1 la Lotus 56B, motorizzata con un turbogas della Pratt & Whitney, ma dovette abbandonare il progetto per via dei troppi problemi con il turbo lag - ritardo di risposta ai transitori. Nel 1993 la General Motors introdusse il primo veicolo ibrido commerciale motorizzato con turbogas con un limitato lancio sul mercato della EV-1. Una turbina Williams International da 40 kW era accoppiata con un alternatore che alimentava il sistema di potenza, costituito da un impianto elettrico a batterie. La tecnologia con turbine a gas offre il vantaggio di un'alta potenza realizzata con un motore leggero e di ingombro limitato. Tuttavia il turbogas non ha le stesse caratteristiche di risposta e di efficienza dei motori alternativi su un ampio intervallo di regimi come quello richiesto nelle applicazioni su veicoli. Inoltre le turbine a gas storicamente sono state più costose da realizzare rispetto alle macchine alternative. Vale anche la pena di notare che un vantaggio chiave dei turbopropulsori per aeroplani, cioè le loro prestazioni in quota nettamente superiori rispetto ai motori alternativi, specie se aspirati, è irrilevante nelle applicazioni terrestri. Anche il vantaggioso rapporto potenza/peso è di limitata importanza, e tra l'altro è inficiato dalla necessità di adottare un riduttore per trasmettere la potenza alle ruote. Per questo motivo, è nettamente più conveniente adottare le turbine a gas sui veicoli ibridi, dato che è possibile eliminare il riduttore. Ciò è possibile in virtù del fatto che la turbina è impiegata solo come generatore di potenza per azionare un alternatore, il quale a sua volta fornisce l'alimentazione al motore elettrico collegato alle ruote.
Motociclette: la MTT Turbine Superbike fu presentata nell'anno 2000 (da questo deriva la denominazione Y2K) ed è la prima motocicletta motorizzata con un motore a turbina (un Rolls Royce - Allison 250 da 283 kW, molto diffuso come propulsore per elicotteri) ad essere lanciata sul mercato. Alla prova di velocità raggiunse i 365 km/h.
Carri armati: negli anni cinquanta un carro armato pesante “Conqueror” fu equipaggiato in via sperimentale con una turbina Parsons da 650 CV. Le turbine a gas sono poi state usate come Unità di Potenza Ausiliarie in numerosi altri modelli di carro armato. Oggi il carro armato russo T-80 e quello statunitense M1 Abrams sono motorizzati con turbine a gas.
Locomotive: diversi modelli di locomotiva sono stati motorizzati con turbine a gas, senza peraltro che il sistema si affermasse: la prima, nel 1941, fu la Am 4/6 realizzata da SLM e BBC per le Ferrovie Federali Svizzere. Negli anni cinquanta la compagnia ferroviaria statunitense Union Pacific Railroad mise in servizio la più grande flotta di macchine a turbogas. Gli elevati costi di gestione, e l'elevato inquinamento acustico ne portarono all'accantonamento all'inizio degli anni settanta. In generale per la trazione ferroviaria, le turbine a gas si son rivelate poco adatte, a causa della scarsa versatilità d'impiego ai regimi non ottimali.
Navi: le turbine a gas sono molto diffuse tra le navi militari, soprattutto per ingombri e pesi ridotti, per la grande potenza e l'ottimo rapporto peso/potenza, fattori che consentono rapide accelerazioni ed elevate velocità di punta. La prima nave propulsa da turbogas fu la motocannoniera MGB 2009, convertita nel 1947 ed appartenente alla Royal Navy britannica. Le prime navi statunitensi con turbine a gas furono invece i pattugliatori d'altura della classe Hamilton, inquadrate nei ranghi della USCG (guardia costiera statunitense) nel 1967. Anche la Marina Militare Italiana seguì l'esempio delle marine più evolute, ed adottò a partire dal 1975 le moderne e velocissime fregate della classe Lupo e Maestrale, propulse da turbine GE/FIAT Avio LM2500, propulsori in seguito adottati anche dalla portaerei leggera Giuseppe Garibaldi e dalla STOVL Cavour.
Sviluppo e Innovazione nelle Turbine a Gas
La tecnologia delle turbine a gas ha costantemente progredito nel tempo e continua ad evolversi. La progettazione computerizzata (in particolare la fluidodinamica computazionale (CFD) e l'analisi agli elementi finiti) al pari di progressi nella tecnologia dei materiali, hanno permesso rapporti di compressione e temperature sempre più elevati, combustione più efficiente, miglior raffreddamento dei componenti e limitate emissioni inquinanti. In aggiunta, cuscinetti ad aghi adatti alle turbine a gas sono stati introdotti in commercio a partire dagli anni novanta. Su un altro fronte, la microelettronica e l'elettronica di potenza hanno permesso il lancio commerciale di microturbine per l'energia distribuita e la propulsione di veicoli terrestri.
Problemi Comuni e Considerazioni Particolari
Un aspetto cruciale nell'ottimizzazione e nella manutenzione delle turbine a gas, in particolare per le applicazioni su veicoli modificati, riguarda le temperature dei gas di scarico. Un utente ha riportato il problema di un collettore di scarico che si piega su un Defender 300 con turbina Saito a geometria fissa, collettore Saito, pompa gasolio con pompante e testina dell'Iveco Daily, filtro aria BMC Herero e intercooler maggiorato. Il problema è stato attribuito alle alte temperature dei gas di scarico.
Questo scenario evidenzia l'importanza di un'attenta calibrazione e monitoraggio, poiché modifiche sostanziali al sistema di alimentazione e sovralimentazione possono alterare drasticamente le condizioni operative, portando a temperature eccessive. Quando le temperature dei gas di scarico superano i limiti di resistenza dei materiali del collettore, possono verificarsi deformazioni o cedimenti. È fondamentale considerare che l'aumento di potenza, ottenuto attraverso l'incremento del volume di gas e della loro temperatura, deve essere bilanciato con la capacità dei componenti a valle di dissipare o resistere a tale calore. Un'eccessiva temperatura dei gas di scarico non solo danneggia il collettore, ma può anche compromettere la durata della turbina stessa, che è esposta direttamente a questi gas roventi.
Il funzionamento di una Turbina a gas
Gli alberi delle turbine sono sostenuti da cuscinetti lubrificati e raffreddati da olio e possono essere a sfere (in grado di sopportare carichi assiali e radiali) e a rulli (resistenti ai soli carichi radiali). Recentemente è stata introdotta una nuova tipologia di cuscinetti in cui la lubrificazione con olio viene sostituita da un cuscino d'aria generato e mantenuto dalla rapida rotazione del cuscinetto stesso. Un guasto a questi cuscinetti, anche in seguito a stress termici elevati, può portare a gravi danni all'intera unità.
Un hobby diffuso è la costruzione di un turbogas a partire da un turbocompressore per motore d'automobile. La camera di combustione può essere costruita e posizionata tra compressore e turbina. Questa pratica, se non eseguita con un'approfondita conoscenza dei principi termodinamici e meccanici, può facilmente portare a problemi di sovratemperatura e guasti strutturali, proprio come nel caso del collettore piegato. La corretta regolazione dei parametri di combustione e la scelta di materiali adeguati sono essenziali per la sicurezza e la funzionalità di tali realizzazioni.
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