MOTORI PER AEROMOBILI

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1 MOTORI PER AEROMOBILI Cap. 7 TURBINA ASSIALE 1.1 Inrodzione Come per i compressori, ci sono sosanzialmene de ipi di rbine: qelle a flsso radiale e le più diffse a flsso assiale. Le rbine radiali sono impiegae soprao per piccole porae, nell indsria criogenica, nei rbocompressori dei moori alernaivi accoppiae ai compressori cenrifghi ed in alcne rbine a gas come le Axiliary Poer Unis (APU). Anche in qeso caso le rbine assiali consenono di raare maggiori porae delle radiali, a parià di ingombro e sono più facili da accoppiare. Per conro i sali di pressione per singolo sadio, sono maggiori nelle radiali. Dal pno di visa flidodinamico le rbine presenano meno problemi dei compressori (espansione, qindi gradiene di pressione favorevole) ed il flido pò sopporare deviazioni maggiori. Lo scambio energeico, cioè il salo di pressione oenibile in ogni sadio, è maggiore di qello oenibile in n compressore assiale e pari circa a qello di n cenrifgo. I maggiori problemi che si inconrano nelle rbine sono legai alla emperara, poiché si è viso che per migliorare le presazioni si cerca di operare alle massime emperare ollerae dalle rbine. 1. Scambio energeico e rapporo di espansione Con riferimeno alla Fig. 7.1 vediamo la nomenclara impiegaa, i riangoli di velocià e lo scambio energeico h0 in no sadio di rbina assiale (sadio=saore + roore). Fig

2 Il gas enra nello saore (gello di rbina) a pressione e emperara saiche p 1 e T 1, ad na velocià assola 1 con n angolo α 1 rispeo alla direzione assiale. Nello saore il gas sbisce n espansione ed na deviazione: esce a valori p e T più bassi, con na velocià assola maggiore ed n angolo α. All ingresso del roore il gas assme na velocià relaiva ed n angolo β dai dalla composizione veoriale ra la velocià assola e la velocià angenziale delle pale U. Nei canali roorici il gas viene novamene deviao e soliamene conina l espansione, scendo a valori p e T, con velocià relaiva amenaa e con velocià assola che, se lo sadio è ripeo, è gale ad 1 (e qindi α = α1). Come già nei compressori, la velocià angenziale U amena con il raggio ed i riangoli di velocià variano passando dalla radice all esremià della pala. E consedine perciò fare riferimeno ad na disanza cosane dall asse di roazione nel disegnare i riangoli (ipicamene si sceglie il raggio medio). Analogamene al compressore assiale e riferendosi alla Fig. 7. abbiamo: Fig. 7. h = C T T = C T T = C T T + = h h + 0 p( 01 0) p( 0 0) p( ) ( ) ( ) h = U 0 h0 = + h h R = = = = h h h U e, con riferimeno agli angoli:

3 = = a a anα anα = = a a an β an β si hanno le segeni relazioni: ( anα anα ) ( an β an β ) h = U + = U + 0 a a a R = U ( an β an β ) Per qano rigarda il rapporo di compressione dello sadio, riferendosi alla Fig. 7. e ricordando che: T η = T T T ' e che h = C ( T T ) 0 p 01 0 si oiene: 1 h0 = 1 p p C η T 01 0 p 01 γ γ 1 1. Sage loading e flo coefficiens Sono de parameri dimensionali che sono ili nella progeazione preliminare. Il primo (sage loading coefficien ψ ) esprime la capacià di no sadio di compiere lavoro ed è dao dal rapporo ra lo scambio energeico specifico elaborao dallo sadio h0 ed il qadrao della velocià periferica U: ψ h0 = = a an an U U β + β ( ) Il secondo (flo coefficien Φ ) è il rapporo ra la componene assiale della velocià in ingresso al roore a e la velocià angenziale U:

4 Φ= a U Come si pò noare dalla figra segene i de parameri hanno n inervallo di valori possibili per no sadio di rbina. Una vola sabilio l inero salo di emperara in rbina dal ciclo ermodinamico, il progeisa pò scegliere orienaivamene se adoare pochi sadi con elevao ψ oppre più sadi con n più basso ψ. Casi paricolari R=0 = = β = β E il caso di rbina ad azione o ad implso. Le pale rooriche sono simmeriche. I canali roorici sono a sezione cosane, qelli saorici convergeni. Il salo di pressione saica avviene o nello saore. R=0 e scarico assiale = = 0 = U = U h = U 0 4

5 R=0.5 = = α = β α = β Triangoli Simmerici Paleare rooriche e saoriche speclari Canali roorici e saorici convergeni Diminzione di pressione saica galmene ripario ra roore e saore R=0.5 e scarico assiale = 0 = U h = U 0 5

6 1.4 Il raffreddameno delle rbine Come noo, le presazioni di na rbina a gas amenano all amenare della emperara di ingresso in rbina, per ci il so incremeno è no degli obieivi ecnologici principali per migliorare le presazioni dei proplsori aeronaici. L ameno della emperara di ingresso in rbina pò essere oeno sosanzialmene in de modi: il primo è qello di impiegare maeriali che resisano meglio alla emperara, menre il secondo è qello di svilppare ecniche di raffreddameno sempre più efficieni. In n moderno moore aereo (a rbina ) almeno il % del peso oale è cosiio da sperleghe di nickel e di cobalo: in paricolare ano le camere di combsione che le rbine sono ineramene realizzae in sperleghe. I receni svilppi si maeriali rigardano l inrodzione della solidificazione direzionale per l oenimeno sia delle palee fisse che di qelle mobili, soprao in campo aeronaico. Un leriore svilppo lo si è avo con l so delle palee monocrisalline (single crysal). In linea di principio il raffreddameno pò essere oeno mediane liqidi o mediane aria. I sisemi a liqido non sono rislai praicabili (ad eccezione delle ecniche per amenare la spina) per varie ragioni ra le qali spiccano i problemi di incrosazioni e di corrosione. L nico meodo che è sao sao con sccesso è la convezione forzaa realizzaa mediane lo spillameno di aria dal compressore. Prelevando na qanià di aria aorno al 10% della poraa è possibile raffreddare le palee saoriche e rooriche ed il disco della rbina e manenerli ad na emperara di circa K al di soo della emperara di risagno del gas in enraa alla rbina. La emperara dell aria di raffreddameno dipende naralmene dal rapporo di compressione del compressore, dal Mach di volo e dalla qoa. Il raffreddameno pò rigardare più di no sadio ed evenalmene anche solo il disco di rbina. 6

7 Lo spillameno di aria dal compressore per il raffreddameno compora naralmene na perdia di efficienza, ma complessivamene i vanaggi di poer operare ad na emperara maggiore compensano largamene le perdie. Il sisema di raffreddameno sao per le palee si avvale di diverse ecniche. La paree eserna viene raffreddaa mediane la ecnica del film cooling che consise nel realizzare (mediane ecniche di forara elerochimiche o laser) na serie di fori slla palea dai qali foriesce aria, proveniene dal cenro della palea, che crea n cscineo di aria fredda slla sperficie eserna del profilo, proeggendo cosi la palea dal flsso dei gas caldi che la invesono. Il raffreddameno inerno invece, si avvale della ecnica del je impingemen e della presenza di na serpenina doaa di rbolaori (chiamai anche ribs) che hanno lo scopo di rendere il flsso rboleno per amenare lo scambio ermico. 7

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9 1.4 Perdie Le perdie nelle schiere di pale vengono prese in considerazione principalmene araverso de parameri basai sosanzialmene slla perdia di emperara che pò essere meglio evidenziaa nella rappresenazione ermodinamica qaliaiva della figra segene. Nel grafico le linee inere collegano gli sai di risagno e le linee raeggiae collegano gli sai saici. T 01 = T 0 perché nell gello di rbina non si compie lavoro. 9

10 Il rao inero orizzonale che conginge 01-0 rappresena la perdia di pressione di risagno dova all ario negli gelli di rbina. Considerando l espansione nello saore, il gas idealmene espanderebbe da T 01 a T ma per gli arii la emperara finale è T. Il coefficiene di perdia per gli gelli di rbina λ N (nozze loss coefficien) è definio come: λ N T = T ' Cp Nel roore, l espansione prosege fino a p e l espansione isenropica nell inero sadio rislerebbe in na emperara finale T, menre nel solo roore nella emperara T che, per effeo degli arii, diviene T. Il coefficiene di perdia nel roore λ R (roor loss coefficien) è dao da: T λr = T '' Cp Si noi che qeso coefficiene è definio riferendosi alla velocià relaiva di scia dal roore, nel qale si ha T 0rel = T 0rel. λ per gelli di rbina convergeni e rappori di pressione ( ) Valori ipici di N p01 p inferiori al rapporo criico, sono aorno a 0.05, menre valori ipici di λ R sono aorno a