Le turbine a gas hanno una ricca storia e svolgono un ruolo chiave in molte delle moderne tecnologie su cui facciamo affidamento. Benvenuto nella parte 1 di questo blog in cui esamineremo la storia e l'evoluzione delle turbine a gas e non dimenticare di unirti a noi per la parte 2 (la prossima settimana) che darà uno sguardo più approfondito all'energia dell'idrogeno e dove sono dirette queste macchine .
Le prime turbine a gas industriali
Le turbine a gas sono uniche sotto molti aspetti. In primo luogo, sono tra le più antiche turbomacchine nella loro idea (circa 15° secolo) e, allo stesso tempo, abbastanza giovani in termini di attuazione pratica (a cavallo tra 19° e 20° secolo).
Già nel XVII secolo iniziarono ad emergere prototipi di turbine a gas, tra cui le cosiddette macchine del fumo. Tuttavia, si può ritenere che il punto di partenza nello sviluppo delle turbine a gas sia avvenuto nel 17, quando l'inglese John Barber presentò una domanda di brevetto per un motore termico.[1791]. La turbina era dotata di un compressore alternativo a catena e aveva un combustore e una turbina. Barber ha proposto l'uso di carbone, gas o altri combustibili adatti per produrre gas infiammabili. Il gas del produttore è andato in un ricevitore comune e quindi nella camera di combustione dove si è miscelato con l'aria del compressore ed è stato acceso. I gas caldi risultanti potevano imporre su una ruota di turbina. Per prevenire il surriscaldamento delle parti della turbina, sono state introdotte disposizioni per il raffreddamento del gas mediante iniezione d'acqua. Non c'è traccia della costruzione di questo motore ma, in ogni caso, è improbabile che si sarebbe autosostenuto a causa della grande richiesta di potenza del compressore alternativo. Un disegno di brevetto del dispositivo di Barber è mostrato nella Figura 1 [1].
Nel 1872 Franz Stolze progettò un motore con un compressore assiale, una turbina assiale sullo stesso albero, uno scambiatore di calore, un produttore di gas e una camera di combustione. L'unità turbina a gas (Figura 2) è stata realizzata e progettata per produrre 200 CV a una velocità di 2000 giri/min. Tuttavia, i test non hanno avuto successo e invece hanno prodotto solo 20 CV. [1]
Nel 1900 Carnot, Gibbs e Maxwell stabilirono le leggi della termodinamica. Nel 1906 gli ingegneri francesi Armengaud e Lemale, con la partecipazione di Auguste Rateau, costruirono una turbina a gas con alimentazione di calore a pressione costante con una potenza di 400 CV. (294 kW). L'impianto disponeva di un compressore centrifugo a 2 stadi. Le pale degli ugelli della turbina sono state raffreddate ad acqua e l'acqua del sistema di raffreddamento è stata fornita ai prodotti della combustione del cherosene, riducendo la loro temperatura a 560°C. La turbina sviluppava una potenza leggermente superiore alla potenza del compressore, quindi il compressore era azionato da un motore esterno.
Sempre nel 1906, l'ingegnere russo VV Karovodin inventò e nel 1908 in Francia costruì una turbina a gas con combustione intermittente o combustione a volume costante (Figura 3). La potenza spesa per la compressione dell'aria in tali installazioni è significativamente inferiore a quella delle installazioni di turbine a gas a pressione costante. La turbina ha sviluppato una potenza di 1.6 CV. (1.18 kW) a 10,000 giri/min e l'efficienza effettiva ha raggiunto solo il 2%.
Nel 1908, l'ingegnere tedesco Hans Holzwarth propose il progetto originale di una turbina a gas a combustione intermittente. Nel 1910, questa installazione fu costruita dalla società svizzera Brown Boveri. La camera di combustione, gli ugelli e la girante della turbina sono stati raffreddati con acqua. Il compressore centrifugo era azionato da una turbina a vapore. Questo vapore era ottenuto sia dal raffreddamento della camera di combustione che dal calore dei gas di scarico della turbina. L'impianto di Holzwarth è stato uno dei primi impianti a ciclo combinato in funzione. In questa versione della tecnologia, il compressore non è così importante come in un impianto di combustione continua con turbina a gas, poiché la combustione avviene a volume costante (con valvole chiuse all'ingresso e all'uscita della camera di combustione) e quindi la pressione nella camera supera la pressione sviluppata dal compressore. Detto questo, la turbina a gas si è rivelata più complessa e costosa di una turbina a gas a combustione continua poiché il suo funzionamento richiedeva disposizioni complesse di valvole e una turbina a vapore con condensatore. Su questa installazione è stata raggiunta una potenza di 200 CV. (147 kW) con un'efficienza di circa il 14%[1].
Diverse turbine a gas a combustione intermittente sono state costruite secondo i progetti di Holzwarth (una di queste è mostrata in Fig. 3.14). Poiché nei primi decenni del secolo scorso l'implementazione di tali turbine a gas è stata eseguita con maggiore successo rispetto alle turbine a gas a combustione continua, le turbine a gas a combustione intermittente hanno svolto un ruolo più significativo nel progresso della tecnologia delle turbine a gas. Nel 1928 la società svizzera Brown Boveri riprese la costruzione di turbine a gas progettate da Holzwarth. Subito dopo, l'azienda ricevette un ordine per lo sviluppo e nel 1939 iniziò a produrre questo tipo di turbine. L'efficienza di queste turbine funzionanti su un ciclo a due tempi è stata stimata al 18-20% e la potenza massima era di 5000 CV. Questa può essere considerata la nascita del primo impianto industriale stazionario di turbina a gas[1].
Le prime unità di turbine a gas per l'aviazione
Lo sviluppo delle turbine a gas per la propulsione degli aerei iniziò nei primi anni '1930 in Gran Bretagna e Germania. In Gran Bretagna, Frank Whittle della Royal Air Force, organizzò una società per lo sviluppo di motori a turbogetto. Il suo primo motore, con un compressore centrifugo, ha funzionato in un banco di prova nel 1937. Nel 1939 è stato prodotto il suo primo motore aeronautico, il W-1. Questo turbogetto erogava 388 kg (855 libbre) di spinta e pesava 283 kg (623 libbre). (Vedi Figura 4). [3]
Il Gloster L'aereo E28/39 (Figura 4) alimentato dal motore a turbogetto W-1 volò per la prima volta il 15 maggio 1941. Verso la fine del 1936, un gruppo in Germania, sotto la direzione di Hans von Ohain presso la Heinkel Aircraft Company ha iniziato a lavorare su un motore a compressore centrifugo. Nel 1937 iniziarono i lavori sui motori a turbogetto assiale in Germania. Il 3 agosto 500 il motore HE S1100B, che erogava 27 kg (1939 lb) di spinta, aprì il primo volo a turbogetto. Junkers sviluppò quindi il JUMO 004, un motore a compressore assiale utilizzato nell'aereo ME 262 durante la guerra. Negli Stati Uniti, la Westinghouse Electric Corporation e la General Electric Company hanno aperto la strada nel campo dei turbojet a flusso assiale. Prima e durante la seconda guerra mondiale, sia l'ex Unione Sovietica che il Giappone hanno anche partecipato allo sviluppo di turbine a gas per la propulsione degli aerei.
L'evoluzione dell'efficienza delle turbine a gas
Se confrontiamo gli schemi dei primi prototipi di turbine a gas (che non hanno mostrato risultati positivi), con i moderni impianti di turbine a gas, possiamo vedere che non ci sono differenze fondamentali tra loro. Le ragioni principali dei fallimenti nella creazione di un motore a turbina a gas funzionante ed efficiente erano legate all'imperfezione aerodinamica di compressori e turbine, nonché all'assenza in quel momento di acciai resistenti al calore in grado di funzionare per lungo tempo ad alte temperature temperature. La mancanza di esperienza nel creare sistemi di raffreddamento anche per le parti e gli assiemi principali degli impianti a turbina a gas hanno avuto un ruolo[1].
Le basi per lo sviluppo della teoria delle turbomacchine, di cui la teoria delle turbine a gas è parte integrante, risalgono ai secoli XVII-XIX. La pietra angolare della teoria è la termodinamica dei processi di lavoro negli impianti con turbine a gas. Si basa sui postulati di base e sulle leggi della termodinamica proposte da Carnot, Mayer, Helmholtz, Clausius, Boltzmann, Boyle, Gay-Lussac, Clapeyron, Thomson e altri. I lavori di Eulero, Bernoulli e altri costituirono la base dei calcoli gasdinamici e idraulici delle turbomacchine.
Gli anni Trenta e Quaranta del Novecento sono caratterizzati da importanti conquiste nel campo dell'aerodinamica di turbine e compressori. Per le turbine, il compito di creare profili delle pale altamente efficienti e il percorso del flusso è stato risolto molto più facilmente rispetto ai compressori, che è associato a differenze nella natura del flusso negli stadi turbina e compressore. Se all'inizio degli anni '1940 l'efficienza interna delle turbine raggiungeva l'86-88%, in gran parte a causa dell'esperienza nella creazione di turbine a vapore, l'efficienza aerodinamica dei compressori era a un livello del 74-75%, il che rendeva impossibile creare un efficiente impianto a turbina a gas con un'efficienza superiore al 15–18%.
I miglioramenti nel ciclo delle turbine a gas sono stati storicamente volti ad aumentare l'efficienza, ridurre i costi di investimento e ridurre le emissioni ambientali. Per aumentare l'efficienza, i progettisti di turbine hanno lavorato per aumentare le temperature di accensione senza danneggiare le turbine. Tuttavia, l'accensione delle turbine oltre le temperature di soglia dei loro componenti ne minaccia l'integrità e l'affidabilità. Lo sviluppo di tecniche di raffreddamento avanzate e il miglioramento dei materiali sono due strategie principali per risolvere questo problema. I miglioramenti nell'efficienza individuale dei componenti principali della turbina a gas come il compressore e la turbina hanno anche contribuito ad aumentare l'efficienza della turbina a gas. Inoltre, è possibile ottenere una migliore efficienza modificando il ciclo semplice originale per recuperare il calore dallo scarico della turbina [11].
Le centrali a turbina a gas a ciclo semplice progettate per essere adatte ad applicazioni di servizi elettrici hanno il vantaggio di un'elevata potenza in uscita per dimensioni e peso relativamente ridotti, basso costo iniziale, installazione rapida, tempi di avviamento brevi, flessibilità di carburante e consumo d'acqua zero per il raffreddamento. Una tipica turbina a gas per applicazioni di servizi elettrici ha una gamma di potenza tra 50 kW e 240 MW [11].
In passato, uno dei principali svantaggi della turbina a gas era la sua bassa efficienza rispetto ad altri motori a combustione interna e centrali elettriche a turbina a vapore. Tuttavia, il continuo lavoro di sviluppo ingegneristico ha spinto l'efficienza elettrica dal 18% per la prima turbina a gas in funzione commerciale, la turbina a gas Neuchatel del 1939, a presentare livelli massimi di circa il 40% per il funzionamento a ciclo semplice. I miglioramenti al ciclo semplice e l'aggiunta dei cicli di fondo delle turbine a vapore offrono la possibilità di ulteriori aumenti di efficienza. Oggi, un ciclo combinato di turbina a gas e turbina a vapore è in grado di raggiungere un'efficienza di quasi il 60% [11]. La figura 6 mostra una sequenza temporale dello sviluppo della tecnologia di generazione di energia.
Un aumento della temperatura iniziale del ciclo turbina consente di aumentare l'efficienza dell'impianto a turbina a gas, ma questo, a sua volta, porta ad un aumento delle emissioni nocive in atmosfera. L'aspetto ambientale rimane importante quando si utilizzano turbine a gas, quindi oggi molti dei principali produttori mondiali stanno cercando di tenerne conto durante la progettazione e il funzionamento di turbine a gas.
Unisciti a noi per la seconda parte la prossima settimana, dove ci immergeremo nelle moderne tendenze di sviluppo delle turbine a gas, inclusa l'energia a idrogeno.
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Riferimenti del blog:
- http://energetika.in.ua/ru/books/book-3/part-1/section-3/3-6
- L'evoluzione storica delle turbomacchine. – C. Meher-Homji. – Pubblicato nel 2000 – Engineering DOI:10.21423/R1X948Corpus ID: 116230226
- La storia della turbina a gas Siemens Ihor Diakunchak, Hans Juergen Kiesow, Gerald McQuiggan T2008-50507, pp. 923-935; 13 pagine
- https://en.wikipedia.org/wiki/Power_Jets_W.1
- Rassegna sulla tendenza allo sviluppo della tecnologia di combustione delle turbine a gas idrogeno.-Daesik Kim, Kim Dae-sik.-Journal of The Korean Society Combus
zione. Dicembre 2019. 1-10 - York, M. Hughes, J. Berry, T. Russell, Advanced IGCC/hydrogen gas turbine development, Final Technical Report, DE-FC26-05NT42643 (2015) presentato al Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
- Larfeldt, M. Andersson, A. Larsson, D. Moell, Co-combustione di idrogeno nelle turbine a gas industriali Siemens a basso NOx, Power-Gen Europe, Germania, 2017.
- Tekin, M. Ashikaga, A. Horikawa, H. Funke, Miglioramento della flessibilità del carburante delle turbine a gas industriali mediante lo sviluppo di innovativi sistemi di combustione dell'idrogeno, Gas Energy, 2 (2018) 1-6.
- Manuale sulla generazione di energia a idrogeno, Mitsubishi Hitachi Power Systems, Ltd., Giappone, 2018, 1-45.
- Rizkalla, R. Keshavabhattu, F. Hernandez, P. Stuttaford, convalida estesa del motore del combustore FlameSheet per flessibilità operativa e basse emissioni, ASME Turbo Expo, GT2018-75764, 2018
- Analisi di sistemi di turbine a gas per la conversione di energia sostenibile. – Marie Anheden, – Royal Institute of Technology Stoccolma, Svezia 2000 TRITA-KET R112 ISSN 1104-3466 ISRN KTH/KET/R–112–SE
