Le prestazioni delle turbine a gas, come gia ribadito precedentemente, in generale vengono incrementate con l’aumento della temperatura d’ingresso in turbina. Nei moderni impianti di potenza, le temperature che si raggiungono in ingresso alla turbina d’alta pressione sono spesso superiori ai 1500 K. In ogni modo la continua ricerca di innalzare i valori delle massime temperature tollerabili dai componenti strutturali ed in special modo le palette ed i vani palari dei primi stadi delle turbine va a scontrarsi con la resistenza alle elevatissime sollecitazioni termiche e meccaniche cui sono sottoposti i materiali di tali elementi, in tal senso la refrigerazione è stata il metodo fondamentale sin dagli anni ’60, per poter sviluppare impianti efficienti.
Attraverso l’utilizzo dei combustibili fossili correntemente adoperati è teoricamente possibile una TIT massima nell’ordine di circa 2500 K, mentre le attuali temperature di ingresso sono
• per gli impianti atti alla generazione di potenza, TIT vale circa 1650 K
• per l’aviazione civile TIT nell’ordine di 1650÷1750 K
• per l’aviazione militare TIT supera i 1800 K
La tendenza odierna confermata è di salire di circa 12 K ogni anno, sicché nell’arco di una decina d’anni dovrebbero aversi macchine con una TIT superiore di circa 100÷120 K, un trend che ha portato le attuali turbogas che lavorano negli impianti industriali ad operare alla stessa TIT di esercizio dei jet militari di vent’anni or sono.
fig. 1.14 incremento della TIT con o senza refrigerazione.
La figura mostra come la temperatura massima del ciclo abbia subito un maggiore aumento per la soluzione refrigerata, a fronte di un aumento molto più contenuto in assenza di refrigerazione. Tale aumento, come viene mostrato nel diagramma che segue, è stato difatti reso possibile in questi ultimi anni soltanto in virtù di tecniche sempre più sofisticate di raffreddamento delle pale della turbina, in quanto i materiali adoperabili nonostante i continui miglioramenti con il passare del tempo, hanno goduto un incremento limitato per quanto riguarda la loro resistenza alle elevate temperature.
fig. 1.15 incremento della TIT mediante le tecniche di refrigerazione.
Attualmente, mediante l’utilizzo delle più evolute soluzioni di raffreddamento è possibile raggiungere, nel caso di gruppo turbogas a ciclo semplice, per la palettatura del primo stadio di turbina una temperatura media superficiale della paletta dell’ordine di circa 1300 K, ben oltre il limite metallurgico dei materiali comuni da costruzione. Le strategie mediante cui progettisti e costruttori hanno la possibilità di ottenere tali risultati seguono due direttrici principali: da un lato si tenta sempre di individuare nuovi materiali atti a resistere a temperature sempre maggiori e trattamenti superficiali di tipo avanzato (come esposto in precedenza, superleghe a base Nichel, coperture in alluminio e/o metalli nobili depositate per
plasma-spray o diffusione oppure rivestimenti ceramici a bassa conduttività, in maniera da avere una sorta di barriera termica), dall’altro si studiano efficaci sistemi di raffreddamento in maniera tale da
• ridurre la temperatura media degli organi della macchina
• ridurre i gradienti termici all’interno dei condotti palari
• mantenere entro valori accettabili la temperatura del mantello delle pale
• cercare di usare la minima portata di fluido refrigerante
Ad ogni modo, oltre agli organi più sollecitati dagli stress termici e meccanici (palettamento mobile e dischi) occorre refrigerare adeguatamente ogni componente della turbina nel primo stadio, ossia palette statoriche, dispositivi di tenuta e così via.
Si comprende che tale operazione comporta delle complicazioni nello schema d’impianto della macchina, causate dalla presenza di un complesso sistema di veicolazione del flusso di refrigerante. Il raffreddamento della turbina diventa allora la parte maggiormente sofisticata nonché complessa del sistema meccanico del gruppo turbogas.
In linea di principio i vari organi possono essere refrigerati mediante diverse modalità, e difatti negli anni sono state proposte molteplici tecniche di raffreddamento: Possiamo darne una prima catalogazione in base in base al fluido refrigerante adottato:
• liquido
• aria
• vapore
La prima tipologia, che è stata anche la prima in ordine di tempo ad essere adottata, consiste nel far circolare un’emulsione d’aria e olio dentro le pale; questo metodo è oggi in disuso, giacché necessita di tutto un circuito dedicato che porta il fluido nelle pale, con relativa pompa di circolazione. Successivamente è stata proposto l’utilizzo dell’acqua, in virtù della sua elevata capacità refrigerativa, ma le anche in questa evenienza, le complicazioni impiantistiche ne limitano fortemente l’impiego, inoltre l’installazione è possibile solo per gli impianti terrestri. La refrigerazione facente uso di vapore come fluido di lavoro per il ciclo di refrigerazione, risulta essere l’ultima proposta in ordine di tempo; si tratta ancora di una metodologia sperimentale, che infatti abbisogna di ulteriori ricerche, adottata in
genere per le moderne turbomacchine dei cicli combinati. Parte del fluido elaborato dalla turbina a vapore viene spillato per la refrigerazione delle pale e quindi recuperato; avendo già a disposizione –come nel caso dei cicli combinati- una notevole quantità di vapore, questo metodo risulta più semplice dei due suesposti, inoltre. Mediante l’uso di vapore, si ha la possibilità di aumentare notevolmente la capacità di asportare calore, ma presenta degli inconvenienti; difatti tale tecnologia comporta l’eventuale insorgere di problemi durante i transitori (avvio e spegnimento), problemi di natura corrosiva, e per le tenute. Inoltre presenta lo svantaggio di poter essere adottato solo per la refrigerazione interna.
Ovviamente tale sistema (oggetto di studio da parte di GE, Siemens/Westinghouse) è di scarso interesse per quanto riguarda le turbomacchine aeronautiche.