Turbine a Gas Spiegate (Turbina a Combustione)

Cos'è una turbina a gas?

Una turbina a gas è un tipo di motore a combustione interna che converte l' energia chimica del carburante in potenza meccanica. È composta da tre componenti principali: il compressore, combustore e turbina. Le applicazioni delle turbine a gas sono molteplici grazie alla loro efficienza, costo e affidabilità. Le turbine a gas sono anche conosciute come turbine a combustione (sono la stessa cosa). Una turbina a gas montata su un aereo è chiamata motore a reazione.

Turbina a Gas

Nota interessante: Le turbine a gas sono chiamate così perché operano utilizzando gas caldi, non perché bruciano gas naturale! È possibile che le turbine a gas brucino oltre 30 tipi diversi di carburante, ma il gas naturale è il più comune.

Principio di Funzionamento di Base della Turbina a Gas

Il processo di base di una turbina a gas prevede che l'aria venga aspirata attraverso un ingresso d'aria e passi attraverso il compressore dove viene pressurizzata (aumento di pressione e temperatura). L'aria compressa passa quindi attraverso il combustore dove viene iniettato il carburante e si accende con l'aiuto di un sistema di accensione. Quando viene rilasciato calore durante la combustione, questo causa un'espansione rapida dei gas che risulta in gas di scarico caldi ad alta velocità che escono dal combustore. I gas caldi passano attraverso una turbina, che la fa ruotare. Questa azione rotatoria produce lavoro meccanico che può essere collegato a vari assemblaggi come alberi di trasmissione o alberi di elica ecc. per eseguire compiti desiderati. Oltre a fornire un'uscita di potenza utile, alcune turbine sono progettate anche per altri scopi come alimentare motori di aerei.

Vedi la sezione successiva per una versione più dettagliata su come funziona una turbina a combustione.

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Come Funzionano le Turbine a Gas

Una turbina a gas è un motore a combustione interna che utilizza un flusso continuo di gas per produrre potenza meccanica (le turbine a gas sono anche conosciute come motori a combustione a flusso costante a causa del flusso costante di gas che richiedono e producono). Funziona comprimendo l'aria, bruciando il carburante all'interno di uno spazio di combustione (combustore), e poi utilizzando i gas di scarico caldi dal processo di combustione per far ruotare una turbina che produce potenza meccanica (energia cinetica).

Le parti principali di una turbina a gas sono il compressore, il combustore e la turbina. È possibile dividere una turbina a gas approssimativamente in una sezione fredda (ingresso d'aria e compressore) e una sezione calda (combustore e turbina). Come con altri motori a combustione interna, le turbine a gas utilizzano il processo di compressione, accensione, potenza, scarico; questo processo è anche chiamato aspira, comprime, scoppia, soffia!

Parti della Turbina a Gas

Nota interessante: I motori a combustione interna sono anche chiamati motori IC.

Compressione

L'aria viene aspirata nella turbina utilizzando un ventilatore assiale multistadio; questo tipo di ventilatore utilizza più palette del ventilatore installate in file e disposte in serie. Ogni fila di palette del ventilatore è chiamata stadio di pressione perché la pressione dell'aria aumenta mentre passa sopra ogni fila. La sezione della turbina a gas che ospita il ventilatore multistadio è chiamata compressore, perché la pressione dell'aria aumenta mentre passa attraverso ogni stadio di pressione. Le turbine a gas aeroderivate possono avere rapporti di pressione fino a 30:1, mentre le turbine a gas a telaio pesante hanno rapporti di pressione fino a 18:1. È possibile controllare quanto carburante verrà bruciato durante la combustione regolando la pressione dell'aria fornita e di conseguenza quanto ossigeno è disponibile per la combustione.

A causa della grande quantità di potenza richiesta per azionare il compressore, le turbine a gas hanno un' efficienza tipica tra il 30-35% (massimo circa 40%) anche se questo può essere aumentato fino al 60% se il calore di scarto viene recuperato (le centrali elettriche a ciclo combinato sono un buon esempio di questo).

Efficienza della Turbina a Gas Basata su Operazione in Parallelo o in Serie

Accensione

Aria compressa dal compressore entra nel combustore (camere di combustione) dove il carburante viene iniettato e mescolato con essa.  Il carburante viene acceso da un accenditore, che è simile nel design a una candela. Una volta acceso, la miscela aria/carburante brucia e c'è un grande aumento di temperatura. Le temperature di scarico dall'area di combustione variano a seconda del design, ma sono state raggiunte temperature fino a 1.600°C (2.900°F).

Nota interessante: Un combustore è anche chiamato bruciatore, camera di combustione o supporto della fiamma.

Potenza (Espansione)

I gas caldi dalla combustione vengono scaricati attraverso un ugello guida stazionario (NGV) poi attraverso file di palette della turbina installate in serie. Come con le palette del compressore, ogni fila di palette della turbina è chiamata 'stadio'. Gli stadi di pressione individuali sono talvolta raggruppati in uno stadio a bassa pressione e uno stadio ad alta pressione, a seconda di quanti stadi individuali sono presenti.

Una forza viene impartita su ogni paletta della turbina mentre i gas caldi passano attraverso la turbina, queste forze combinate producono coppia che agisce su un albero centrale facendolo ruotare. Le velocità di rotazione dell'albero variano, ma alcune turbine possono raggiungere velocità di rotazione superiori a 20.000 giri/min.

Nota interessante: Mentre i gas caldi passano attraverso la turbina, la loro pressione e temperatura diminuiscono; questa parte della turbina è chiamata sezione di espansione a causa di questa diminuzione di pressione.

Scarico

Gas di scarico caldi vengono scaricati direttamente in atmosfera o in un altro processo affinché il calore possa essere recuperato. Ad esempio, un generatore di vapore a recupero di calore (HRSG) può essere installato direttamente dopo una turbina a combustione per recuperare calore dai gas di scarico, questo calore può quindi essere utilizzato per generare vapore. La quantità di calore disponibile è significativa, poiché le temperature dei gas di scarico scaricati da una tipica turbina a gas possono raggiungere fino a 550°C (1.002°F).

Generatore di Vapore a Recupero di Calore (HRSG)

Progetti di Turbine a Gas

Le turbine a gas possono essere progettate per uno scopo specifico, come generare spinta (motori di aerei), o potenza meccanica per azionare macchinari come pompe o generatori (generazione di energia elettrica). Le turbine a gas aeroderivate sono utilizzate dagli aerei grazie alla loro alta potenza di spinta, mentre le turbine a gas a telaio pesante sono utilizzate nell'industria della generazione di energia elettrica.

Turbina a Gas Utilizzata per la Generazione di Energia

È importante quando si costruiscono e si operano turbine a gas che tutti i componenti siano progettati per la resistenza; ad esempio, i combustori devono essere in grado di resistere a temperature estreme senza che si verifichino danni e le palette dovrebbero essere realizzate in materiale resistente al calore come il titanio in modo che non si surriscaldino durante il funzionamento.

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Risorse Aggiuntive

https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_turbine

https://www.ge.com/gas-power/resources/education/what-is-a-gas-turbine

https://www.siemens-energy.com/global/en/offerings/power-generation/gas-turbines.html