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Sistemi di raffreddamento e comportamenti termici in una turbomacchina

Informazioni tesi

  Autore: Fabio Nicoletti
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 2004-05
  Università: Università degli Studi di Pisa
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Navale
  Relatore: Antonio Paciolla
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 61

Le turbine a gas di derivazione aeronautico posseggono caratteristiche di affidabilità, leggerezza e versatilità che gli permettono di essere preferite ad altri sistemi propulsivi navali in molteplici soluzioni; per comprendere la loro flessibilità basti pensare che una stessa turbomacchina può essere adattata all’impiego in campo aeronautico, navale nonché terrestre con poche e semplici modifiche costruttive, lasciando intatti quelli che sono gli elementi base caratteristici. È questo spirito che ha portato allo sviluppo della serie GE LM, tra cui la LM2500 adottata a bordo delle UU.NN. della M.M. e descritta nel presente elaborato, le cui caratteristiche ne fanno di gran lunga la macchina più ricercata e su cui GE investe molto. La ricerca è rivolta soprattutto nell’aumento del rendimento globale, nella riduzione delle perdite fluidomeccaniche, dei consumi e delle emissioni di NOx., tutte caratteristiche dipendenti essenzialmente dalla massima temperatura raggiungibile dal ciclo T3, che diventa l’elemento centrale su cui concentrare gli sforzi di tutto lo sviluppo tecnologico. L’incremento della T3 è però vincolata dai limiti tecnologici dei materiali impiegati, quindi per le caratteristiche richieste si sono elaborate delle nuove superleghe e riviste le tecniche di fonderia; nonostante il continuo sviluppo in fatto di materiali, ciò che più permette di innalzare le temperature d’esercizio è il sistema di raffreddamento dei componenti della turbina mediante aria spillata dal compressore.
Questo però garantendo una notevole affidabilità, presenta margini di miglioramento notevolmente ridotti. Infatti le attuali tecnologie di refrigerazione per convezione interna e impingement e refrigerazione esterna di film cooling garantiscono temperature d’esercizio fino a 1200°C; l’impiego della ceramica potrebbe innalzarle fino a 2000°C, con notevoli vantaggi termodinamici. Nell’elaborato sono presentati alcuni dei materiali compositi ceramici che potrebbero essere impiegati come parti costituenti di combustori e palettature, ponendoli a confronto con i materiali attualmente impiegati e sottolineandone i limiti tecnologici che attualmente ne impediscono l’adozione.
Se nel futuro riuscirà il loro impiego allora si potrà contare su turbomacchine di potenza notevolmente maggiore ma con consumi specifici, perdite ed emissioni di NOx ridotti.

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4 1 TERMODINAMICA DELLE TURBINE A GAS 1.1 INTRODUZIONE Il ciclo termodinamico su cui è impostato il funzionamento delle turbine a gas è il ciclo Bryton, la cui analisi porta alla determinazione di due parametri fondamentali per la progettazione degli impianti propulsivi: rendimento, indispensabile per sapere in ultima analisi i consumi della macchina in funzione delle potenze erogate, e quantità d’aria per unità di lavoro netto, per il dimensionamento dei condotti d’aria di aspirazione e di scarico. I risultati di questa analisi fanno riferimento al ciclo ideale e perciò sono solo indicativi perché vengono determinati non considerando tutte le irreversibilità che si hanno nel ciclo reale. Le difficoltà maggiori riscontrabili nella progettazione e realizzazione di una turbina a gas è che il fluido operante è sempre allo stato gassoso, quindi nella fase di compressione è necessario spendere una grande quantità di lavoro, a differenza di quanto succede negli impianti a vapore nei quali la fase di compressione avviene sul liquido, con spesa d’energia trascurabile rispetto alle energie in gioco nelle altre fasi del ciclo. Quindi in una turbina a gas il lavoro utile prodotto nella fase d’espansione rischia di essere quasi interamente assorbito dal compressore, e per aumentarne notevolmente il rendimento bisogna oltre che ricercare le soluzioni fluidodinamiche più appropriate, impiegare materiali tecnologicamente superiori in grado di sopportare le alte temperature a cui bisogna portare i gas per ottenere lavoro meccanico all’albero di uscita sufficiente da rendere l’impianto conveniente. Attualmente le turbine a gas sono largamente impiegate dove siano necessarie elevate potenze con ingombri ridotti, oppure dove sia necessaria una rapida presa di carico da parte della macchina motrice ed un ampio campo di potenze disponibili. Altri grandi vantaggi di queste macchine sono il limitato ingombro, possibilità di insonorizzazione, grande affidabilità, semplicità di installazione e di manutenzione.

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Parole chiave

brayton
ceramica
convezione
film cooling
fluido
impingement
raffreddamento
rendimento termico
temperature
turbina a gas

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