Turbine a Gas: Funzionamento, Classificazione e Applicazioni

Riassunto

Il documento spiega il funzionamento delle turbine a gas e le loro applicazioni industriali e aeronautiche. Classifica le turbine in due tipi: a pressione costante, che seguono il ciclo Brayton, e a volume costante, simili al ciclo Otto. Descrive anche le applicazioni di turboreattori, turboeliche, turbofan e turboalberi. Lo studente impara come l'energia della combustione diventa energia meccanica o spinta.

Punti chiave

Le turbine a gas sono motori a combustione interna rotativi: l'espansione del fluido tra le pale della turbina genera energia meccanica.
Le applicazioni si dividono in industriali, come generazione elettrica, compressori, propulsione navale e cogenerazione, e aeronautiche.
Le turbine aeronautiche comprendono turboreattori, turboeliche, turbofan e turboalberi.
Nel turboreattore l'energia della turbina serve ad azionare il compressore, mentre il resto viene espulso come getto e genera la spinta.
Le turbine a pressione costante hanno configurazione aperta e seguono il ciclo Brayton.
Le turbine a volume costante, o a esplosione, hanno una potenza intermittente e sono state usate nelle prime fasi di sviluppo.

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Turbine a Gas: Principi di Funzionamento e Applicazioni

Le turbine a gas sono motori a combustione interna rotativi. Il fluido di lavoro subisce trasformazioni di compressione, combustione ed espansione. L'espansione del fluido avviene tra le pale di una turbina per la generazione di energia meccanica.

Applicazioni delle Turbine a Gas

Le applicazioni delle turbine a gas possono essere classificate in due categorie principali:

Industriale
Aeronautica

Le turbine industriali sono utilizzate sia in installazioni fisse che mobili. Tra i principali utilizzi delle turbine industriali troviamo:

Generazione di energia elettrica (tramite generatori).
Azionamento di compressori e pompe di grandi dimensioni.
Propulsione navale.
Sistemi termo-meccanici per il recupero del calore di scarico della turbina (cogenerazione).

Le turbine aeronautiche trovano applicazione in:

Turboreattori (jet).
Turboeliche.
Turbofan (o turboventole).
Turboalberi.

Nelle applicazioni di tipo turboelica, turboalbero e in unità di potenza ausiliarie (turbine industriali), la maggior parte dell'energia prodotta dalla combustione viene trasformata in energia meccanica nel rotore della turbina.

Nel turboreattore, l'energia meccanica prodotta dalla turbina è quella necessaria per azionare il compressore; la restante energia viene espulsa sotto forma di getto, generando la spinta.

Nel turbofan, una quota significativa di energia aziona l'albero del compressore e della ventola (fan), mentre il resto viene sfruttato dai gas di scarico per la produzione del getto.

Classificazione delle Turbine a Gas

Le turbine a gas si classificano in base al tipo di ciclo termodinamico:

Turbine a pressione costante: i componenti principali sono compressore, camera di combustione e turbina (configurazione aperta).
Turbine a volume costante (o a esplosione): compressore, valvole, camera di combustione e turbina (configurazione chiusa).

Le turbine che operano a pressione costante seguono il ciclo Brayton.

Le turbine a volume costante seguono un ciclo simile al ciclo Otto.

Turbina a Pressione Costante (Ciclo Brayton)

Nella turbina a pressione costante, l'aria atmosferica entra nel compressore e ne esce a una pressione superiore, per poi entrare nella camera di combustione. Il combustibile viene iniettato nella camera in modo continuo e la combustione avviene a pressione costante. L'inizio della combustione è innescato elettricamente tramite un accenditore; successivamente, la combustione si autoalimenta con l'erogazione continua del combustibile. L'aumento di pressione e temperatura dovuto ai gas di combustione spinge i gas stessi dalla camera verso la turbina.

L'espansione dei gas di combustione avviene fino alla pressione atmosferica attraverso il rotore della turbina. Il lavoro utile sviluppato dai gas viene assorbito, in primo luogo, dall'asse della turbina per muovere il compressore. Il resto viene utilizzato per azionare un carico esterno (turbina a gas industriale, turboelica, turboalbero, ecc.) o per generare spinta (turbogetto).

Turbina a Volume Costante (o a Esplosione)

La turbina a volume costante si differenzia per il fatto che la combustione avviene all'interno di una camera chiusa, dotata di valvole di aspirazione e scarico. La potenza è intermittente e i gas escono dalla camera a impulsi, impattando sulla turbina. Questa configurazione è stata utilizzata nelle prime fasi di sviluppo delle turbine a gas, quando i materiali disponibili non permettevano di realizzare sistemi operativi a pressione costante con prestazioni accettabili.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra turbina a pressione costante e a volume costante?

Nella turbina a pressione costante la combustione avviene in modo continuo a pressione costante, con configurazione aperta. Nella turbina a volume costante la combustione avviene in una camera chiusa con valvole, e la potenza è intermittente.

Come produce spinta un turboreattore?

La turbina del turboreattore produce l'energia meccanica necessaria ad azionare il compressore. La restante energia viene espulsa sotto forma di getto, che genera la spinta.

Quali sono le applicazioni industriali delle turbine a gas?

Sono la generazione di energia elettrica, l'azionamento di compressori e pompe di grandi dimensioni, la propulsione navale e la cogenerazione, che recupera il calore di scarico.