La turbina a gas è un motore a combustione interna utilizzato per trasformare mediante turbomacchine l'energia chimica del combustibile. L'energia estratta viene resa disponibile sotto forma di potenza all'albero, aria compressa, spinta o una loro combinazione ed è utilizzata per muovere aerei, treni, navi, generatori o anche carri armati.
Descrizione generale della turbina a gas
La 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 in camera di combustione. Qui viene miscelata al combustibile che, con la sua ossidazione, innalza l'entalpia della corrente gassosa che prosegue il suo percorso passando negli stadi della turbina dove ha la possibilità di espandersi, cedendo energia alla turbina stessa. La turbina trascina il compressore e l'energia netta risultante viene utilizzata direttamente come energia meccanica nel campo delle applicazioni industriali, ad esempio per trascinare macchine, nel campo della propulsione aeronautica per trascinare una elica (turboalbero, turboelica) o per fornire la spinta (turbogetto, turboventola), oppure, in campo energetico, trasformata in energia elettrica mediante un alternatore accoppiato alla turbina.
Termodinamicamente, il funzionamento ideale delle turbine a gas è descritto dal ciclo Brayton, in cui l'aria è compressa isoentropicamente, la combustione avviene a pressione costante e l'espansione nella turbina avviene isoentropicamente fino alla pressione di aspirazione.
Nel ciclo reale si ha invece: Compressione non isoentropica – dato un certo rapporto di compressione, l'entalpia allo scarico del compressore è più alta rispetto a quella ideale (è necessario un maggiore lavoro di compressione per ottenere la stessa pressione di uscita). Espansione non isoentropica - dato un certo rapporto di compressione, l'entalpia allo scarico della turbina è più alta rispetto a quella ideale (minore lavoro di espansione disponibile a parità di pressione di uscita). Perdita di carico in camera di combustione – riduce il salto di pressione disponibile per l'espansione e quindi anche il lavoro utile.
Principio di funzionamento 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 fattore limitante è la capacità dei materiali che costituiscono la macchina (acciaio, superleghe a base nichel e materiali ceramici) di resistere allo scorrimento viscoso (creep), tipico delle alte temperature, e delle sollecitazioni meccaniche cui si trovano ad operare. La ricerca si è dunque concentrata verso tecniche volte al raffreddamento dei componenti, le quali consentono alle palette più sollecitate, quelle della turbina, di resistere continuativamente a temperature superiori a .
In molte applicazioni si cerca anche di recuperare il calore allo scarico, altrimenti dissipato. I rigeneratori sono scambiatori di calore che trasferiscono il calore dei gas di scarico all'aria compressa, prima della combustione. 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. Gli impianti che sfruttano questo recupero di calore sono definiti impianti combinati, in quanto combinano il ciclo di Brayton-Joule del turbogas con quello Rankine della turbina a vapore.
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. I motori aeronautici operano intorno ai (sezione di alta pressione) e le microturbine intorno ai .
Componenti principali Compressore
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. L'energia necessaria al suo funzionamento è fornita da una turbina a cui è collegato mediante un albero motore.
Normalmente una parte dell'aria trattata dal compressore viene "spillata" per poter essere utilizzata nel raffreddamento delle zone più calde del motore (tipicamente la turbina) o, in applicazioni aeronautiche, dall'impianto di condizionamento e pressurizzazione.
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. Negli ultimi stadi, in cui la temperatura aumenta a causa della compressione adiabatica, sono invece impiegate leghe al nichel.
Il compressore, a differenza della turbina, trovandosi ad operare in un gradiente di pressione avverso (la pressione aumenta durante l'avanzamento del flusso), ha numero di stadi molto maggiore di quello della turbina pur operando praticamente sullo stesso salto di pressione. I profili delle palette sono a bassa curvatura, per evitare il distacco della vena fluida ed ogni stadio consente un rapporto di compressione modesto.
I primi stadi del compressore (ed in particolare il fan nei turboventola) hanno le palette svergolate, cioè con un angolo di calettamento variabile dalla radice verso l'estremità per adeguare la direzione d'ingresso del fluido alla diversa velocità periferica.
Combustore
Nella camera di combustione l'energia chimica posseduta dal combustibile (generalmente cherosene o metano) viene rilasciata mediante la sua combustione con l'ossigeno presente nell'aria compressa fornita dal compressore, innalzando la temperatura (e quindi l'entalpia) dei gas combusti.
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. Per questo motivo solo una parte (meno della metà) dell'aria partecipa alla combustione, mentre la rimanente è usata per abbassare la temperatura del flusso che investe la turbina diluendo i gas combusti.
Turbina
La turbina è il componente critico del motore. La temperatura dei gas provenienti dalla camera di combustione può arrivare, nei motori più recenti, anche a 1600 °C. La rapida rotazione della turbina, poi, induce ulteriori stress meccanici alle palette che, accoppiati alla sollecitazione termica, innescano problemi di scorrimento viscoso (o creep).
Le moderne palette dei primi stadi di turbina sono oggi costruite facendo largo uso di superleghe e tecniche metallurgiche avanzate come la solidificazione direzionale o le strutture monocristalline che consentono ai materiali di sopportare temperature di 800-900 °C sotto sforzo.
Oltre all'utilizzo di materiali dalle prestazioni sempre più alte, le palette vengono protette con la tecnica del raffreddamento e del rivestimento ceramico.
Il raffreddamento può avvenire in due modi: interno o per film cooling. Nel primo, dell'aria spillata dal compressore viene immessa in palette cave, operando quindi un raffreddamento dall'interno. Nel film cooling la palettatura presenta dei 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 essere aderente alla superficie della lama e di creare uno strato che faccia da isolante tra i gas incandescenti e la superficie della pala. Nel raffreddamento per traspirazione, attualmente in fase sperimentale, il passaggio dell'aria non avviene tramite fori, ma sfruttando la porosità stessa del materiale.
I rivestimenti, applicati soprattutto nei motori aeronautici, permettono di esporre il componente a temperature sempre maggiori (fino a ) e sono composti da materiali ceramici. Naturalmente il costo lievita con l'aumentare della tecnologia applicata.
I rivestimenti vengono applicati principalmente in due modi: PVD (Physical Vapour Deposition) o, CVD (Chemical Vapour Deposition).
Cuscinetti Gli alberi 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. Questo nuovo cuscinetto non ha bisogno di raffreddamento pur se utilizzato in aree dove sono presenti alte temperature come le turbine.
Usi principali
Le caratteristiche delle turbine a gas le rendono adatte alla produzione di grandi quantità di energia con ingombri assai limitati. Un utilizzo diffuso è quindi quello della propulsione, soprattutto aerea e marina, ma anche la generazione elettrica.
Nella propulsione aeronautica, la turbina trova impiego nel turboreattore, dove ha il compito generare una spinta sia direttamente (come nel turbogetto), sia indirettamente (muovendo un'elica come nella turboelica). Sugli aeromobili possono essere installate anche delle unità di potenza ausiliarie (APU) dedicate alla produzione di energia elettrica, aria compressa o pressione idraulica per alimentare gli impianti di bordo quando i motori principali sono spenti.
Nella 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. Nella centrale a ciclo combinato, il calore residuo presente nei gas di scarico della turbina a gas è recuperato mediante uno scambiatore di calore che alimenta una turbina a vapore a sua volta collegata ad un generatore. Il recupero di energia permette così di innalzare il rendimento dal 40% del ciclo semplice al 60% del ciclo combinato.
Turbine a gas per produzione di energia elettrica
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 di potenza delle macchine industriali più grandi operano a 3000 o 3600 giri/min, in accordo alla frequenza elettrica della rete, evitando così la necessità di un riduttore.
Gli impianti di cui queste turbine sono il motore primo possono essere particolarmente efficienti – fino al 60% - quando il calore dei gas di scarico è recuperato da una caldaia che produce vapore, successivamente espanso in una turbina a vapore in un ciclo combinato. 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. Le grandi turbine a gas in ciclo semplice possono produrre una potenza di molte centinaia di megawatt e raggiungere un'efficienza termica del 40%.
Microturbine Le microturbine stanno raggiungendo una notevole diffusione nella generazione distribuita e nella cogenerazione. La grandezza va da macchinari che possono essere tenute in una mano e producono meno di un kilowatt a sistemi commerciali che producono centinaia di kilowatt.