ELEMENTI DI PROPULSIONE NAVALE (Sistemi Propulsivi: Turbogas) Parte 2 A cura di: Ing. S. Inzerillo Ing. C. Florio Geom. S. Dessy P.I. M. Santarelli

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) La turbina a vapore fu utilizzata per la prima volta nel 1894 da Charles Parsons sulla nave Turbinia e subì successivi e rilevanti sviluppi. Il principio di funzionamento concettualmente è simile a quello delle turbina a vapore: un fluido attraverso dei passaggi si espande, facendo in modo che parte della sua energia di pressione e di movimento venga convertita in lavoro utile. In senso stretto il termine turbina a gas indica la macchina in cui avviene l'espansione dei gas combusti, anziché del vapore come nel caso della turbina a vapore. Il gas che viene fatto espandere è quello derivante dalla combustione di gas naturale, non il gas combustibile in sé che espande. In senso più ampio, invece, il termine turbina a gas identifica l'intero impianto motore per la produzione di energia elettrica.

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) Le turbine a gas coprono un campo molto esteso dì potenze (da 5 kW a 250 MW), con una massa dell'impianto che può andare dai pochi kilogrammi a centinaia dì tonnellate. Esse nascono e si sviluppano a partire dagli anni '40, nel settore aeronautico. Ma è solo a partire dagli anni '90, che l'industria ha potuto usufruire delle ricadute scientifiche e tecnologiche delle applicazioni di propulsione aeronautica e ha "attinto" da essa per sviluppare sistemi stazionari (cioè fissi) di produzione dì elettricità e, successivamente per la propulsione navale.

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) I sistemi Turbogas si utilizzano spesso nel settore militare poiché hanno i seguenti vantaggi: rapidità di avviamento e ingombro modesto; in cicli combinati con motori diesel: CODOG (combined diesel or gas): il motore diesel assicura l’andatura di crociera e la turbina a gas interviene per l’andatura di tutta forza; CODAG (combine diesel and gas): il motore diesel funziona per la crociera mentre a tutta forza sono in funzione sia il diesel sia la turbina a gas L’inversione di marcia è realizzata con eliche a passo invertibile oppure con speciali giunti inversori Le turbine utilizzate sono derivate da adattamenti di versioni aeronautiche

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) Molto spesso la turbina navale è a doppio corpo (quelle aeronautiche sono invece ‘mono-corpo’), alta pressione AP e bassa pressione BP, con disposizione contrapposta (cross compound); solitamente la turbina di AP ha una frequenza elevata (6000 – 7000 giri/min), che è invece dimezzata in quella a bassa pressione per evitare di dover ricorrere a rapporti di riduzione troppo elevati nella trasmissione di potenza all’elica, il cui regime si aggira sui 100 giri/min. Turbine aeronautiche Turbogas navale

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) La turbina è multistadio e porta in testa una ruota Curtis ad azione a gradini di velocità, che rende possibile la regolazione per parzializzazione e consente di ridurre in modo consistente il salto entalpico contenendo il numero degli stadi successivi; seguono gli stadi a reazione, con rendimento più elevato.

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA TURBINA A GAS NAVALE La turbina a gas differisce da una turbina a vapore per i seguenti motivi: se in un impianto a vapore la compressione dell'acqua di alimento richiede poca potenza perché si opera su un liquido, in una TAG la compressione dell'aria assorbe più della metà della potenza sviluppata dalla turbina mentre la turbina a vapore è attraversata da un fluido che, tutto sommato, non danneggia i condotti dentro i quali fluisce, i gas di combustione di una TAG, qualora bruciassero nafta pesante per caldaia (bunker diesel) causerebbero gravi problemi di corrosione da vanadio proprio perché ad alta temperatura. Per cui il gas naturale è il combustibile che più si presta all'utilizzo nelle turbine a gas anche perché la sua combustione è più pulita rispetto a quelle del bunker pesante poiché non produce né polveri (particolato), né ossidi di zolfo (SOX) e quindi non crea problemi dì erosione delle parti meccaniche della turbina stessa.

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA TURBINA A GAS NAVALE L'aria, entra da un'ogiva (A), è compressa da un compressore (C) che la invia ai bruciatori (B); i gas combusti prima di andare allo scarico in atmosfera cedono potenza prima alla turbina di AP (T1) collegata al compressore, poi alla seconda turbina, quella di BP (T2) collegata con l'asse dell'elica quindi vanno allo scarico. Aria Propulsore (Carico) BP AP ARIA COMPRESSA GAS COMBUSTI

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) PRESTAZIONI DI UN SISTEMA DI PROPULSIONE TAG Le turbine a gas trasformano l’energia chimica del combustibile in energia meccanica disponibile all’albero di uscita della macchina. Questa trasformazione avviene in due passaggi: l’energia chimica del combustibile viene trasformata in energia termica con un processo di combustione fra il combustibile e il fluido operativo (aria) l’energia termica viene convertita in energia meccanica Esistono diversi tipi di cicli termodinamici utilizzabili nelle turbine a gas. Il ciclo di Brayton semplice si presta in modo soddisfacente alle applicazioni navali in virtù della sua semplicità concettuale e della facile condotta delle macchine che lo realizzano. La turbina a gas che opera secondo il ciclo di Brayton semplice può conseguire un consumo specifico alla potenza massima di circa 0.240 kg/(kWh) con un rapporto di compressione di circa 16:1 e un combustibile avente potere calorifico inferiore Hi = 42800 kJ/kg.

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) PRESTAZIONI DI UN SISTEMA DI PROPULSIONE TAG Nel ciclo di Brayton semplice il fluido operativo è soggetto alle seguenti fasi : [fase iniziale] aspirazione dall’esterno; [1  2] compressione dalla pressione atmosferica alla pressione di combustione, variabile da 10 a 30 bar; [2  3] combustione a pressione costante e ad alta temperatura (circa 12001500 °K) dopo l’iniezione del combustibile nella camera di combustione; [3  4] espansione fino alla pressione atmosferica; [4  1] scarico all’esterno a pressione costante (di poco superiore a quella atmosferica). CICLO BRAYTON

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) PRESTAZIONI DI UN SISTEMA DI PROPULSIONE TAG L’ipotesi che il ciclo sia ideale comporta che : compressione ed espansione siano adiabatiche e reversibili (ossia isentropiche); non ci siano cadute di pressione entro i componenti della macchina (ingresso aria, camera di combustione, scarico); il fluido operativo sia un gas perfetto con calori specifici (CP e CV) costanti; il calore sia introdotto da una fonte esterna e non da un processo di combustione interno alla macchina; il calore sia sottratto da una sorgente fredda esterna e non eliminato assieme al fluido operativo nell’ambiente esterno; la massa del fluido nel ciclo sia costante, ossia si trascuri la massa del combustibile aggiunto.

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) PRESTAZIONI DI UN SISTEMA DI PROPULSIONE TAG - RENDIMENTO Il rendimento di un ciclo Brayton ideale dipende solo dal rapporto di compressione β ed è esprimibile come segue: CICLO BRAYTON

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) PRESTAZIONI DI UN SISTEMA DI PROPULSIONE TAG Le più alte temperature a cui è ceduto il calore primario, consentono rendimenti superiori a quelli di un impianto a vapore e le basse pressioni di un impianto TAG consentono di realizzare un motore con un bassissimo rapporto massa/potenza. In un impianto TAG l'aria, compressa a 1025 bar, si porta sui 300-400 °C, riscaldamento adiabatico peraltro utile per la successiva combustione; questa produce fumi a 9001200 °C che, dopo aver ceduto potenza alla turbina, l'abbandonano sui 450550 °C e a pressione di poco superiore a quella atmosferica onde poter essere espulsi allo scarico. A causa della grossa potenza che la turbina deve cedere al compressore e la cospicua perdita allo scarico, risulta che: il rendimento termico effettivo dell'impianto vale in media: ηeff = 0,350,40; il consumo specifico di combustibile è pari a circa CC = 0,210,23 kg/kWh.

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) PRESTAZIONI DI UN SISTEMA DI PROPULSIONE TAG Le prestazioni di una TAG sono dunque migliori di quelle di una turbina a vapore ma ancora lontane dai primati raggiunti dai motori diesel. Non va però dimenticato che la TAG è obbligata a bruciare costosi combustibili di alta qualità (come gas combustibili, keroseni o gasoli leggeri) proprio per evitare che le palette, direttamente investite dai gas di combustione, vadano incontro a pericolosi sporcamenti e depositi di prodotti vanadici. Come però si vedrà fra breve, l'impianto TAG presenta tali e tanti pregi da meritarsi una sempre crescente presenza a bordo delle navi.

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) VANTAGGI NELL’USO DI UN SISTEMA DI PROPULSIONE TAG Il vantaggio della turbina a gas consiste nella possibilità: di sviluppare potenze elevate con pesi ed ingombri assai ridotti, grazie alla compattezza dell’impianto e al numero ridotto di ausiliari: rispetto all’impianto a vapore manca il condensatore e la camera di combustione è più compatta del generatore; di offrire rapidità di avviamento (pochi minuti per raggiungere la potenza massima) e di variazione di potenza; di emettere minori scarichi inquinanti dovendo utilizzare distillati più leggeri a basso contenuto di zolfo e con forti eccessi d’aria, che riducono la formazione di NOx.

SISTEMI DI PROPULSIONE Sistemi di propulsione a TURBINA a GAS (Turbogas) SVANTAGGI NELL’USO DI UN SISTEMA DI PROPULSIONE TAG Lo svantaggio fondamentale consiste nel costo notevole soprattutto a causa del suo rendimento. L’elemento sfavorevole non ha un peso decisivo negli impieghi militari, in cui invece è determinante disporre di potenze rilevanti e rapidità di avviamento e regolazione. Fanno eccezione le grandi portaerei che necessitano di un impianto a vapore sia per gli ordini di potenza motrice richiesta (200 – 300 MW) sia per la necessità di disporre a bordo di grandi quantitativi di vapore.