Università degli Studi di Genova

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1 Università degli Studi di Genova RELAZIONE SULL'ATTIVITA' E LE RICERCHE SVOLTE ALLA CONCLUSIONE DEL I ANNO DEL XX CICLO DEL CORSO DI DOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELL INFORMAZIONE E DELLA COMUNICAZIONE, INDIRIZZO: SCIENZE ED INGEGNERIA DELLO SPAZIO Dottorando: Fabrizio Valenza Coordinatore: Prof. Silvano Cincotti Tutor: prof. Marco Capurro (DEUIM)

2 1. TEMATICHE DI RICERCA Le tematiche da me sviluppate hanno avuto per oggetto: 1) Confronto tra lo scudo termico di un velivolo spaziale e il rivestimento refrattario di un impianto turbogas; 2) Caratterizzazione del materiale refrattario impiegato in camere di combustione di turbine di produzione Ansaldo: analisi delle problematiche emerse e possibili soluzioni Lo scenario applicativo della mia attività all interno del dottorato riguarda ciò che viene denominato TPS (Thermal Protection System), ovvero ciò che concerne la protezione termica e chimica dei velivoli destinati a portare persone e cose dalla Terra allo spazio e viceversa: si tratta quindi di comprendere ogni aspetto che riguarda i materiali che vengono sollecitati a forti stress meccanici e fisici. Analizzando la vita di un mezzo spaziale, si possono distinguere tre fasi principali: il decollo, il volo orbitale e il rientro in atmosfera. Ogni fase è contraddistinta da differenti sollecitazioni: vibrazioni e pressione aerodinamica al decollo, forti gradienti termici e ambiente aggressivo durante il volo orbitale e, soprattutto, le alte temperature (sino a 1500 C ) e le sollecitazioni meccaniche durante la fase di rientro. La progettazione di un materiale che tenga conto di questi aspetti, quindi, deve raggiungere un compromesso tra resistenza meccanica, resistenza termica e inerzia chimica. Al fine di comprendere le problematiche riguardanti gli scudi termici, in particolar modo da un punto di vista termo-meccanico, in collaborazione con Ansaldo Energia S.p.A., abbiamo cominciato uno studio sul rivestimento termico delle camere di combustione di impianti turbogas di nuova concezione utilizzati per la produzione di energia elettrica; questi rivestimenti vengono sottoposti a sollecitazioni termiche e meccaniche che presentano molte analogie con quelle dello scudo termico dei velivoli spaziali. Le camere di combustione in oggetto sono di tipo anulare, il rivestimento viene effettuato mediante piastrelle di ceramica refrattaria di produzione Saint Gobain fissate alla cassa in acciaio. La temperatura registrata all ingresso della turbina (alimentata a metano) arriva a 1400 C, si presume quindi che nelle zone della camera di combustione sottoposte all irraggiamento della fiamma, le temperature siano più elevate; ancora non esistono esaurienti mappe termiche ma le indagini sul materiale che è stato sostituito per interventi di manutenzione (punto 1.2) confermano che le prime file di piastrelle refrattarie vedono una temperatura decisamente più elevata di quella di ingresso turbina. Altro problema deriva dalle sollecitazioni meccaniche alle quali è sottoposto il materiale: oltre agli stati di tensione dovuti ai gradienti termici che si vengono a creare tra piastrelle e cassa in acciaio e all interno del materiale stesso, il rivestimento viene continuamente sottoposto a forti vibrazioni sia nelle fasi transitorie (accensione/spegnimento) sia nella fase di regime.

3 1.2. E stata programmata ed è in fase di realizzazione, una serie di prove di caratterizzazione sia sulle piastrelle nuove sia su piastrelle già esercite sostituite in occasione di interventi di manutenzione straordinaria su alcune turbine. L intento delle prove è quello di ottenere il maggior numero possibile di informazioni sul materiale esistente e individuare i punti di criticità per un successivo sviluppo. Il materiale utilizzato viene prodotto da Saint Gobain; secondo le indicazioni del produttore, si tratta di un refrattario composto da Corindone (α- Al 2 O 3 ) e Mullite (3 Al 2 O 3 2 SiO 2 ) ad alto contenuto di allumina ( % in peso). L indagine è cominciata con analisi di densità vera e apparente e di porosità totale in accordo con le norme ASTM C e UNI EN 993-1; in aggiunta è stata determinata la distribuzione della porosità aperta del materiale mediante un porosimetro a mercurio. Per approfondire le informazioni sull aspetto strutturale e chimico del materiale, sono state intraprese in collaborazione con il CNR-IENI alcune prove: Analisi SEM/EDS per determinare la dimensione dei grani per ogni singola fase e la porosità chiusa. Analisi XRD/Rietveld per valutare quantitativamente la composizione di fase del materiale e l eventuale presenza di una fase amorfa. Queste prime indagini hanno permesso di evidenziare che: La dimensione dei grani è assai disomogenea con dimensioni tra 100 e 2000 μm. Il materiale presenta una porosità che va dall 11 al 18 % in volume. Non ci sono differenze apprezzabili tra le differenti direzioni, parallela e perpendicolare, alla direzione di pressatura. La percentuale di fase amorfa è minore del 5% in massa. Successivamente, sul materiale nuovo sono state condotte prove di analisi termica consistenti in analisi termogravimetrica (TGA) e analisi termica differenziale (DTA): le prove sono state condotte in maniera simultanea per mezzo di una termobilancia Netzsch STA 409. Nella termogravimetria, un campione viene sottoposto ad un regime controllato di temperatura nel corso del quale viene determinata la massa in funzione della temperatura: in tal modo è possibile valutare variazioni di massa dovute a reazioni del campione per effetto della temperatura. Nell analisi termica differenziale, il campione e un riferimento inerte vengono sottoposti al medesimo programma di temperatura e vengono costantemente monitorate le differenze di temperatura tra i due: le differenze di temperatura evidenziano eventuali trasformazioni chimico-fisiche che avvengono nel campione come ad esempio fusione, transizioni vetrose etc. e permettono di determinare le entalpie in gioco. Le prove sono state condotte in un range di temperatura tra i 20 C e i 1550 C. La termogravimetria non ha mostrato apprezzabili variazioni di massa dei campioni che facciano pensare a reazioni chimiche di decomposizione del materiale; l analisi termica differenziale inoltre non ha mostrato evidenti transizioni di fase nel range di temperatura considerato: dall analisi termica si evince quindi che il materiale esposto ad alte temperature è stabile da un punto di vista chimico-fisico. Qui di seguito vengono riportati graficamente i risultati ottenuti:

4 variazione % massa Termogravimetria T uv DTA T Per quanto riguarda le prove meccaniche, le prove previste sono: Valutazione del modulo elastico dinamico mediante il metodo della risonanza Valutazione dell internal friction (contestuale alla prova di modulo elastico dinamico), per valutare la capacità dissipative del materiale; si misura in base all attenuazione delle onde elastiche nel materiale. Valutazione del modulo elastico statico e della resistenza a flessione. Valutazione del K IC Sono state anche previste prove per valutare il comportamento del materiale sollecitato a brusche variazioni di temperatura (shock termico); la prova tradizionale di resistenza a shock termico, prevede l immersione repentina in acqua corrente di un provino che è stato portato a temperature elevate e prevede la ripetizione di questo ciclo fino alla rottura del campione. Tuttavia, abbiamo considerato questa prova piuttosto semplicistica e quindi, in accordo a quanto trovato in letteratura, si è pensato di valutare il variare di alcuni parametri ad ogni ciclo di prova: si considereranno quindi le variazioni di modulo elastico dinamico e di internal friction. A seguito di interventi di manutenzione straordinaria che è stata effettuata da Ansaldo Energia su due turbine dopo ore di esercizio (su previste) è stato possibile disporre di alcune piastrelle esercite. È risultato che le piastrelle corrispondenti alle file più vicine alla fiamma sono fortemente erose superficialmente, inoltre, le piastrelle presentano un colorito rossastro, un aspetto vetroso in superficie e, soprattutto, molte di esse sono criccate.

5 Nelle foto vengono portate ad esempio due piastrelle esercite con il particolare di una profonda cricca: Tra gli aspetti che sono emersi, quello che desta più preoccupazione è la presenza di cricche su alcune piastrelle esercite. In caso di rottura dell intera piastrella durante il funzionamento, infatti, potrebbe cedere l intero filare di piastrelle portando alla fermata dell impianto e a gravi danni. È quindi necessario indagare a fondo sulla natura di questo fenomeno: a tal proposito è stata iniziata un indagine per conoscere quali parti della camera anulare siano più suscettibili al fenomeno e i parametri di processo di ogni singolo impianto (numero di fermate/riavvii, eventuali combustibili aggiunti al metano, temperature raggiunte). Ad ogni modo, per una completa comprensione del problema rappresentato dalla formazione di cricche occorrerà portare a termine le prove meccaniche previste sia sul materiale nuovo che sul materiale già esercito; successivamente sarà possibile trovare soluzioni per accrescere la tenacità del materiale. Le problematiche riguardanti la superficie delle piastrelle già esercite, destano meno preoccupazione rispetto alla formazione di cricche: la presenza di uno stato simil-vetroso in superficie è ben noto nello studio dei refrattari; la forte erosione di alcune piastrelle invece, potrebbe risultare un problema in quanto frammenti più grossi (nell ordine del millimetro) potrebbero danneggiare le prime palette della turbina. Il timore è confermato da dialoghi intercorsi con i tecnici che effettuano gli interventi: è emerso che le prime pale delle turbine (quindi a valle della camera di combustione) vengono ricoperte da uno strato polveroso bianco: per cercare di ovviare a questo inconveniente le prime file di piastrelle verranno ricoperte in via sperimentale con uno strato di allumina per migliorare il comportamento della superficie esposta.

6 2. ELENCO DELLE PUBBLICAZIONI 3. PIANO DI STUDI Primo anno 3.1. Corso Le equazioni differenziali alle derivate parziali nei modelli per l ingegneria, prof. M. Parodi, Genova - Facoltà di Ingegneria Corso Chimica fisica e tecnologia dei materiali ceramici, prof. Ferretti, Genova - Facoltà di Scienze MFN Corso Laboratorio di ingegneria dei materiali, Prof. Botter, Genova Facoltà di Ingegneria. 4. PARTECIPAZIONE A SCUOLE, CORSI, ecc. - Seminario Calorimetria differenziale a scansione (DSC) e analisi termogravimetrica (TGA) organizzato da DEUIM in collaborazione con Gibertini Elettronica SRL e THASS GmbH, relatore dott. Juergen Koch, tenutosi il 17 novembre 2005 presso l Università di Genova