Turbina a gas - struttura

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1 urbina a ga - truttura Fuel Combutore Comreore Ae urbina Aria Ga di carico

2 urbina a ga Il ciclo termodinamico che decrive il funzionamento della turbina è il ciclo Joule Le traformazioni che avvengono all interno di una turbina a ga ono: - Comreione - Adduzione di calore a reione cotante - Eanione Le iotei che ono alla bae di un ciclo ideale di una turina a ga ono: il fluido di lavoro è un ga erfetto con calori ecifici cotanti il fluido di lavoro non ubice variazioni di comoizione durante il ciclo ed ha ortata maica cotante le fai di comreione ed eanione ono traformazioni adiabatiche e reveribili, ovveroia ioentroiche non vi ono erdite di reione nell attraverare i comonenti l imianto i ritengono tracurabili le variazioni di energia cinetica del fluido tra ingreo ed ucita di ogni comonente

3 urbina a ga ciclo ideale Nell iotei di traformazioni adiabatiche ( ) q = c ( ) q = c = t i Lu c ( ) = ( ) ( ) c c =

4 urbina a ga ciclo ideale ti = Ricordando che i j i = j e = = i ottiene = da cui ti = =

5 urbina a ga ciclo ideale ti = Il rendimento diende olo dal raorto di comreione del ciclo e dal tio di fluido di lavoro

6 urbina a ga ciclo ideale Oltre al rendimento va coniderato anche il lavoro utile L u ( ) ( ) L = c c u = c θ θ = =

7 urbina a ga ciclo ideale Le due grandezze che è neceario maimizzare ono il rendimento ed il lavoro utile Il lavoro utile influenza il eo, le dimenioni ed il coto iniziale della macchina Il rendimento invece influenza il coto di eercizio

8 urbina a ga ciclo ideale con rigenerazione Vediamo in quali cai il lavoro utile è nullo Lu = c θ = = = = L u = 0 e = = =

9 urbina a ga ciclo ideale con rigenerazione Per valori del raorto di comreione comrei tra = e = L u il lavoro utile ha un maimo e che equivale a dire che la temeratura di ucita dalla turbina è uguale alla temeratura di ucita dal comreore = =

10 urbina a ga ciclo ideale con rigenerazione R R R R Poiché normalmente i ga di carico econo dalla turbina ad una temeratura iù alta di quella in ucita dal comreore, è oibile fraorre uno cambiatore di calore, er recuerare arte dell energia dei ga di carico Si avrà un aumento del rendimento erché a arità di lavoro utile e di temeratura maima del ciclo diminuice la quantità di calore da fornire dall eterno Per tener conto di coa accade nella realtà è neceario introdurre il grado di rigenerazione, definito come il raorto tra il calore cambiato ed il calore teoricamente cambiabile, fattore che diende dalla efficienza dello cambiatore R = R

11 urbina a ga ciclo ideale con rigenerazione R R R R Il rendimento che i ottiene con la rigenerazione arà t, i = ( ) ( ) c ( ) c c R = ( ) ( ) c ( ) c c R R R ( R ) ( ) c = = c R = R R Nell iotei rigenerazione comleta = R = R t, i = Ovviamente nel cao ideale in cui l efficienza di rigenerazione ia unitaria

12 urbina a ga ciclo ideale con rigenerazione R R R R Ciò ignifica che, a differenza del ciclo ideale enza rigenerazione, er il ciclo ideale con rigenerazione il rendimento è funzione della temeratura maima t, i = Si noti come il rendimento del ciclo rigenerato diminuica all aumentare del raorto di comreione Quando il raorto di comreione raggiunge il valore che maimizza il rendimento, la rigenerazione non ha iù effetto ed i rendimenti coincidono

13 urbina a ga ciclo ideale con rigenerazione R R R R ti, rig = ti = ti = e ti, rig = Affinché la rigenerazione realizzi un aumento di rendimento, il raorto di comreione deve eere minore di quello che realizza il lavoro utile maimo

14 urbina a ga ciclo ideale con rigenerazione R R R R Quindi il lavoro utile non viene modificato dalla rigenerazione, anzi il raorto di comreione da adottare deve eere minore di quello che fornice il lavoro utile maimo

15 urbina a ga ciclo ideale con otcombutione Il lavoro utile uò eere aumentato interromendo l eanione nella turbina ad alta reione e realizzando una nuova combutione a reione minore eguita da una ulteriore eanione in una turbina a baa reione Se il raorto tra le reioni di ingreo ed ucita delle due turbine è uguale, l aumento di lavoro utile è maimo. Di coneguenza arà uguale anche il raorto tra le temerature Il lavoro utile aumenta erché le iobare tendono a divergere Il rendimento invece diminuice erché aggiungo un ciclo con raorto di comreione minore e quindi meno efficiente 5 5 = = 6 6

16 urbina a ga ciclo ideale con otcombutione Se realizzo anche la rigenerazione, otterrò un aumento di lavoro utile enza enalizzare il rendimento Ciò accade erché i recuera il calore che veniva fornito nella ot combutione Una ulteriore tecnica er aumentare il lavoro utile è la riduzione del lavoro di comreore con l interrefrigerazione

17 urbina a ga ciclo reale In un ciclo reale le fai di comreione ed eanione non ono adiabatiche ma benì olitroiche, ia al termine della comreione che della eanione i verifica un aumento dell entroia. Si tiene conto di ciò introducendo i rendimenti olitroici di comreione e di eanione c t che aumono valori generalmente comrei tra 0.70 e 0.90

18 urbina a ga ciclo reale t, r = ( h h' ) ( h' h ) ( h h ) ' = ( ' ) ( ' ) c ( ) c c ' = ' ' ' t, r λ c θ λ t = θ λ c

19 urbina a ga ciclo reale L c = c θ t u, r c θ t = t, r θ c

20 urbina a ga ciclo reale effetto della temeratura u rendimento e lavoro utile

21 urbina a ga ciclo reale Per una turbina a ga il lavoro utile ed il rendimento aumentano e i incrementa la temeratura maima del ciclo ed i rendimenti olitroici di turbina e comreore

22 urbina a ga ciclo reale effetto dei rendimenti olitroici di eanione e comreione u rendimento e lavoro utile

23 urbina a ga ciclo reale con rigenerazione R R Nel ciclo reale con rigenerazione certamente l efficienza dello cambiatore arà minore di, ovvero i ga in ucita dalla turbina R avranno una temeratura iù alta di quella dell aria in ucita dal comreore. R = a g ( R ' ) ( ) m& h h m& h h ' ' > R ' < R ' m& a < m& g m α = & m& a f mg m α + = a α ( R ' ) & & R ( ) ' ' e α è grande

24 urbina a ga ciclo reale con rigenerazione R R Poiché il calore fornito è ( ) c R = + = R ( ) R ' ' R ' ' ' R = ( R ' ) ( ) ' ' t, r = c t ' ' ' R c θ t = θ c c θ R t

25 urbina a ga ciclo reale con rigenerazione R R L c = c θ t u, r t, r = c θ t θ c c θ R t

26 urbina a ga ciclo reale con rigenerazione

27 urbina a ga aeronautica

28 Comreore della GE- LM500

29 Combutore

30 Dettagli alettature

31 Stadio urbina

32 urbina a ga marina 5 6 La tiica configurazione monoalbero è adatta a funzionare con carico e velocità di rotazione cotante; i tratta quindi di una oluzione dotata di cara fleibilità Normalmente la turbina a ga nelle alicazioni marine differice da quella aeronautica er la reenza di uno tadio detto generatore di ga ed uno tadio di otenza che muove l utilizzatore In queta maniera i ottiene una maggiore fleibilità di eercizio, dato che il numero di giri richieto dall utilizzatore non influenza la velocità a cui i muovono comreore e turbina ad alta reione Uno vantaggio di queta oluzione è la neceità di revedere un itema che imedica l ecceivo aumento di velocità quando il carico richieto dall utilizzatore diminuice brucamente Queta oluzione i reta articolarmente ad adottare tutte le tecniche eaminate er migliorare il ciclo (rigenerazione, otcombutione, interrefrigerazione)

33 urbina a ga marina Un ulteriore incremento di fleibilità nell utilizzo i ottiene con la turbina twin ool (tio ABB G5) In queto tio di configurazione il generatore di ga è cotituito da due tadi di comreione e due di eanione. Lo tadio di comreione a baa reione è olidale a quello di eanione a baa reione, analogamente ono olidali gli tadi ad alta reione. Gli tadi ad alta e baa reione oono quindi ruotare a velocità divere. Queta oluzione ermette di uerare i roblemi che i avrebbero in fae di avviamento ed ai bai carichi, quando il funzionamento del comreore non è ottimale e gli tadi terminali, orattutto nelle macchine ad alto raorto di comreione, otrebbero offrire di fenomeni indeiderati È oibile collegare l utilizzatore ia allo tadio a baa reione che ad una turbina di otenza earata, come nello chema oratante

34 urbina GE- LM500

35 urbina a ga Roll-Royce M0 (twin ool)

36 urbina a Ga Problematiche Qualità del combutibile Neceità di dover bruciare combutibili iù leggeri di quanto non oa fare un motore dieel ed a bao tenore di zolfo. La combutione deve eere tale da non rilaciare incombuti che oano deoitari ulle alette della turbina Senibilità alle avarie A differenza del motore dieel in cui non tutte le avaria comortano l arreto della macchina, nella turbina a ga le avarie hanno generalmente coneguenze erie. Sono comunque reenti un minor numero di arti ed inoltre l affidabilità raggiunta dalle turbine di derivazione aeronautica rendono meno erio queto roblema. Senibilità ai arametri dell ambiente eterno Preione e temeratura dell aria in ingreo alla turbina hanno una influenza maggiore che er i motori dieel. Imoibilità di invertire il eno di rotazione Queto roblema uò eere riolto utilizzando eliche a ale orientabili o idrogetti, che non richiedono l inverione del moto del motore er realizzare la inta, oure ricorrere a inverori di diegno articolare. Conumo ecifico elevato, in articolare ai bai carichi

37 urbina a Ga Aetti oitivi Raorto eo otenza e ingombro 00 W/m e g/w Ridotta neceità di eronale er la conduzione Caacità di erogare il carico maimo in temi brevi Poibilità di funzionare a giri moto ridotti (teoricamente la turbina di otenza otrebbe erogare coia anche da ferma)