La turbina a gas industriale cominciò ad essere sviluppata subito dopo la seconda guerra mondiale
da numerose case costruttrici, sia europee che americane, già produttrici di turbine a vapore per
applicazioni industriali: Brown Boveri, Sulzer, General Electric, Westinghouse, Mitsubishi, IHI,
ecc..
Alla turbina a gas heavy-duty, destinata essenzialmente agli impianti fissi, sono richiesti, per
evidenti ragioni, requisiti nettamente differenti da quelli richiesti ad una turbina a gas aeronautica,
quali un basso costo iniziale ed una vita piuttosto lunga (circa 100.000 ore di funzionamento).
Un basso costo iniziale può essere ottenuto, tra l’altro, riducendo le dimensioni frontali della
macchina il che comporta però una riduzione della portata di fluido evolvente. Per compensare tale
aspetto è necessario quindi massimizzare il lavoro utile per unità di massa di fluido (Lur = Δhur).
Pertanto il ciclo di funzionamento viene ottimizzato in relazione al massimo lavoro utile il che
comporta, per assegnati valori della temperatura T3 e dei rendimenti della turbina e del
compressore, valori del rapporto di compressione piuttosto contenuti e comunque inferiori a quelli
che si avrebbero se il ciclo fosse ottimizzato in relazione al massimo rendimento (vedi figg.6.9 e
6.10). Operando con rapporti di compressione non molto elevati si realizzano poi temperature allo
scarico più alte, tali da garantire buone prestazioni nel caso di impianti combinati gas-vapore.
Ad una turbina a gas industriale viene inoltre richiesta una durata molto maggiore rispetto ad una
macchina aeronautica. Ciò comporta costruzioni più robuste ed in genere sollecitazioni più modeste
sia dal punto di vista meccanico (ottenute con minori velocità di rotazione) sia dal punto di vista
termico (temperatura massima T3 più modesta). Nelle turbine a gas industriali non si hanno
limitazioni di ingombro pressanti come nel campo aeronautico e questo si traduce soprattutto in una
maggiore libertà di dimensionamento e collocazione della camera di combustione. Pertanto in
genere tale componente dell’impianto è unico e disposto verticalmente e consente di bruciare
combustibili di minor pregio di quelli utilizzati nei turbogas aeronautici. Spesso inoltre si ricorre
alla tecnica della rigenerazione per aumentare il non elevato livello del rendimento conseguente ai
valori di temperatura T3 con cui si opera.
Occorre peraltro osservare che, vista la grande affidabilità raggiunta dalle turbine a gas
aeronautiche, alcuni costruttori di tali macchine negli ultimi anni hanno proposto per l’impiego
industriale impianti turbogas aeronautici opportunamente modificati: si parla in tal caso di turbine a
gas di derivazione aeronautica o aeroderivative. In tali impianti l’ugello di scarico non è presente ed
è sostituito da un’ulteriore turbina di potenza che ha lo scopo di muovere l’utilizzatore. Tali
applicazioni sono sempre più sviluppate in tutti quei casi in cui il valore del rendimento
dell’impianto assume un peso rilevante. A tale riguardo, la fig.6.16 propone un confronto tra i valori
di potenza e rendimento dei turbogas heavy-duty ed aeronautici di più recente produzione.
fig.6.16
Si osserva che le macchine per applicazione industriale sono caratterizzate da potenze decisamente
più elevate ma anche da livelli di rendimento più contenuti (valori massimi di poco superiori a
0,35), mentre i turbogas aeronautici hanno potenze più ridotte ma valori di rendimento che possono
superare il 40%. Tale aspetto è da porsi soprattutto in relazione ai differenti livelli della temperatura
massima del ciclo (T3) raggiunta nelle due tipologie di impianto: fino a 1200 °C nelle macchine
heavy-duty e fino a 1400 °C in quelli aeronautici, valori comunque sopportabili solo in presenza di
sofisticati sistemi di refrigerazione delle pale della turbina.
Lo sviluppo futuro degli impianti turbogas è pertanto legato alla possibilità di utilizzare materiali
resistenti a temperature sempre più elevate, anche in assenza di refrigerazione, nonché alla capacità
di utilizzare combustibili di minor pregio di quelli oggi generalmente impiegati in tale tipologia di
impianto (gas naturale, distillati leggeri del petrolio).
da numerose case costruttrici, sia europee che americane, già produttrici di turbine a vapore per
applicazioni industriali: Brown Boveri, Sulzer, General Electric, Westinghouse, Mitsubishi, IHI,
ecc..
Alla turbina a gas heavy-duty, destinata essenzialmente agli impianti fissi, sono richiesti, per
evidenti ragioni, requisiti nettamente differenti da quelli richiesti ad una turbina a gas aeronautica,
quali un basso costo iniziale ed una vita piuttosto lunga (circa 100.000 ore di funzionamento).
Un basso costo iniziale può essere ottenuto, tra l’altro, riducendo le dimensioni frontali della
macchina il che comporta però una riduzione della portata di fluido evolvente. Per compensare tale
aspetto è necessario quindi massimizzare il lavoro utile per unità di massa di fluido (Lur = Δhur).
Pertanto il ciclo di funzionamento viene ottimizzato in relazione al massimo lavoro utile il che
comporta, per assegnati valori della temperatura T3 e dei rendimenti della turbina e del
compressore, valori del rapporto di compressione piuttosto contenuti e comunque inferiori a quelli
che si avrebbero se il ciclo fosse ottimizzato in relazione al massimo rendimento (vedi figg.6.9 e
6.10). Operando con rapporti di compressione non molto elevati si realizzano poi temperature allo
scarico più alte, tali da garantire buone prestazioni nel caso di impianti combinati gas-vapore.
Ad una turbina a gas industriale viene inoltre richiesta una durata molto maggiore rispetto ad una
macchina aeronautica. Ciò comporta costruzioni più robuste ed in genere sollecitazioni più modeste
sia dal punto di vista meccanico (ottenute con minori velocità di rotazione) sia dal punto di vista
termico (temperatura massima T3 più modesta). Nelle turbine a gas industriali non si hanno
limitazioni di ingombro pressanti come nel campo aeronautico e questo si traduce soprattutto in una
maggiore libertà di dimensionamento e collocazione della camera di combustione. Pertanto in
genere tale componente dell’impianto è unico e disposto verticalmente e consente di bruciare
combustibili di minor pregio di quelli utilizzati nei turbogas aeronautici. Spesso inoltre si ricorre
alla tecnica della rigenerazione per aumentare il non elevato livello del rendimento conseguente ai
valori di temperatura T3 con cui si opera.
Occorre peraltro osservare che, vista la grande affidabilità raggiunta dalle turbine a gas
aeronautiche, alcuni costruttori di tali macchine negli ultimi anni hanno proposto per l’impiego
industriale impianti turbogas aeronautici opportunamente modificati: si parla in tal caso di turbine a
gas di derivazione aeronautica o aeroderivative. In tali impianti l’ugello di scarico non è presente ed
è sostituito da un’ulteriore turbina di potenza che ha lo scopo di muovere l’utilizzatore. Tali
applicazioni sono sempre più sviluppate in tutti quei casi in cui il valore del rendimento
dell’impianto assume un peso rilevante. A tale riguardo, la fig.6.16 propone un confronto tra i valori
di potenza e rendimento dei turbogas heavy-duty ed aeronautici di più recente produzione.
fig.6.16
Si osserva che le macchine per applicazione industriale sono caratterizzate da potenze decisamente
più elevate ma anche da livelli di rendimento più contenuti (valori massimi di poco superiori a
0,35), mentre i turbogas aeronautici hanno potenze più ridotte ma valori di rendimento che possono
superare il 40%. Tale aspetto è da porsi soprattutto in relazione ai differenti livelli della temperatura
massima del ciclo (T3) raggiunta nelle due tipologie di impianto: fino a 1200 °C nelle macchine
heavy-duty e fino a 1400 °C in quelli aeronautici, valori comunque sopportabili solo in presenza di
sofisticati sistemi di refrigerazione delle pale della turbina.
Lo sviluppo futuro degli impianti turbogas è pertanto legato alla possibilità di utilizzare materiali
resistenti a temperature sempre più elevate, anche in assenza di refrigerazione, nonché alla capacità
di utilizzare combustibili di minor pregio di quelli oggi generalmente impiegati in tale tipologia di
impianto (gas naturale, distillati leggeri del petrolio).
