Origini e sviluppo delle turbogas Cicli termodinamici e schemi circuitali Possibili varianti del ciclo Prestazioni delle turbogas La regolazione

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1 Corso di IMPIANTI di CONVERSIONE dell ENERGIA Origini e sviluppo delle turbogas L energia, fonti, trasformazioni i ed usi finali Impianti a vapore I generatori di vapore Impianti turbogas Cicli termodinamici e schemi circuitali Possibili varianti del ciclo Prestazioni delle turbogas La regolazione della potenza e l avviamento I componenti delle turbogas Cicli combinati e cogenerazione Il mercato dell energia Le emissioni delle turbogas Il mercato delle turbogas 1

2 Corso di IMPIANTI di CONVERSIONE dell ENERGIA Origini e sviluppo delle turbogas L energia, fonti, trasformazioni i ed usi finali Impianti a vapore I generatori di vapore Impianti turbogas Cicli termodinamici e schemi circuitali Possibili varianti del ciclo Prestazioni delle turbogas La regolazione della potenza e l avviamento I I componenti delle turbogas Cicli combinati e cogenerazione Il mercato dell energia Le emissioni delle turbogas Il mercato delle turbogas 2

3 GENERAL ELECTRIC MS9001H 3

4 GENERAL ELECTRIC MS9001H 4

5 5

6 IL COMPRESSORE I componenti delle turbogas 6

7 IL COMPRESSORE β di stadio: Numero di stadi: Temperatura media di uscita: 400 C 7

8 18 stadi (r C =23:1) Di aeroderivazione i dal GE CF6-80C2 Regolazione: Variable Inlet Guiding Vanes Variable Stator Vanes Criteri di progettazione: Resistenza a fatica; COMPRESSORE Resistenza alla corrosione (composti idel cloro, sodio, vanadio, piombo o acidi nell aria, condensa dell umidità); Resistenza all erosione i (azione abrasiva di particelle didimensioni i i superiori ai 20 μm). 8

9 COMPRESSORE Pale ottenute per solidificazione direzionale Acciaio GDT-450: 15.5% Cr, 0.8% Mo, 0.2% Cb (acciaio i inox martensitico i indurito i per precipitazione) i i 9

10 I COMBUSTORI TIT max C T ing 400 C T out 2450 C (Δ stech ) zona secondaria zona di diluizione zona primaria 10

11 Per aumentare il rendimento interno η i = θ η c cioè rendere che si ottiene con 1 η c η t 1 ε β 1 τ 1 c t η η << 1 η c η t >> occorre cercare di ridurre al massimo β ε τ β ε τ 1 η c η t ε β 1 τ Non potendo agire sulla riduzione del rapporto di compressione, che provocherebbe una diminuzione del rendimento limite, il miglioramento delle prestazioni si ottiene con: Incremento dei rendimenti delle macchine Aumento della temperatura massima 11

12 EVOLUZIONE DELLA TIT bina (TIT) [ C] Tem mperatura in ngresso tur Aeroderivative ROLLS ROYCE Heavy-Duty GENERAL ELECTRIC Aeroderivative PRATT & WHITNEY Heavy-Duty ABB-ALSTOM Heavy-Duty MHI Heavy-Duty SIEMENS Trend: 12.5 C/anno +50 C TIT +8 13% potenza +2 4% rendimento 12

13 EVOLUZIONE DELLA TIT 13

14 CARATTERISTICHE DEI MATERIALI 14

15 LA TURBINA 15

16 TURBINA A GAS 4 stadi 1 e 2 stadio: ugelli e pale raffreddate con vapore (circuito chiuso); 3 stadio: ugelli e pale raffreddate con aria (dal compressore); 4 stadio: non raffreddato. 16

17 TURBINA A GAS 17

18 TURBINA A GAS Vantaggi del raffreddamento con vapore in circuito chiuso: il campo di moto palare non viene alterato; rendimento di stadio e perdite di pressione invariate (il vapore non fuoriesce dalla pala) Nessuna perdita di pressione aggiuntiva (dovuta al miscelamento gas/aria a pressioni i differenti); Caduta termica molto contenuta; Tutta l aria in uscita dal compressore espande in turbina; In ciclo combinato, viene prodotto vapore risurriscaldato a media pressione. 18

19 TURBINA A GAS 19

20 TURBINA A GAS Criteri di progettazione delle pale del 1 stadio Resistenza meccanica (sforzi centrifughi) Resistenza a fatica (sforzi vibrazionali); Resistenza allo scorrimento viscoso ad alta temperatura; Resistenza a fatica termica (low-cycle fatigue, il raffreddamento con vapore in circuito chiuso elimina il film d aria daria a contatto con la superficie della pala causando gradienti termici più severi); Resistenza all ossidazione i ed alla corrosione; Adozione di materiali facilmente saldabili 20

21 TURBINA A GAS Lega Ni-base monocristallina GTD-111: 14% Cr, 38%W 3.8% W, 4.9% 49%Ti, 3%Al, 9.5% 95%Co +25% carico di rottura; +100% allungamento; +900% ampiezza di sollecitazione a cicli; +33% resistenza all urto (KV) +22% Resistenza a creep. + Rivestimenti e contro o corrosione os o ed ossidazione o + Thermal Barrier Coatings 21

22 PALE IN LEGA MONOCRISTALLINA 22

23 LO SCARICO 23

24 LO SCARICO 24

25 CARATTERISTICHE TURBOGAS COMMERCIALI COSTRUTTORE Modello Tipologia Anno P [MW] Rapporto di compressione TIT [ C] η General Electric LM 1600-PA AeroDerivative ,75 21, ,5% LM 2500-PE AeroDerivative ,8 18, ,8% LM 2500+(PK) AeroDerivative ,32 22, ,5% LM 6000-PC AeroDerivative ,425 29, ,3% MS9001E Heavy Duty ,4 12, ,8% MS9001EC Heavy Duty ,2 14, ,9% MS9001FA Heavy Duty ,6 15, ,9% MS9001G Heavy Duty ,5% MS9001H Heavy Duty ,5% Rolls Royce Avon AeroDerivative ,58 8,8 28,2% RB AeroDerivative ,775 20,8 37,0% RB DLE AeroDerivative , ,1% Trent AeroDerivative , ,6% Sie m e ns W e stinghouse V64.3A Heavy Duty , ,7% W501D5A Heavy Duty ,5 14, ,7% V94.2 Heavy Duty , ,4% W501F Heavy Duty , ,4% V94.2A Heavy Duty ,3% W501G Heavy Duty , ,9% V94.3A Heavy Duty , ,4% 501G Heavy Duty ,0% 25

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