Che cos'è una turbina?

Le turbine convertono l'energia prodotta da un gas o da un liquido in potenza, convertendo l'energia cinetica di un fluido, sotto forma di velocità, e l'energia potenziale, sotto forma di pressione, in energia cinetica rotazionale tramite le diverse pale della turbina collegate a unalbero. La pala funziona essenzialmente come una leva azionata dal movimento e dalla pressione del fluido. La forza esercitata sulla leva crea coppia attorno all'albero che produce energia meccanica. Questa energia può quindi essere utilizzata da qualsiasi sistema collegato all'albero.

La parola "turbina" deriva dal latino turbo, che significa "roteare". Il metodo di ricavare energia sfruttando il passaggio di un fluido contrasta rispetto a quello utilizzato da macchinari che estraggono energia attraverso i pistoni, come nel caso di motori a combustione interna (ICE) o a vapore. I dispositivi che utilizzano una turbina per l'estrazione di energia sono generalmente classificati come turbomacchine.

Gli esseri umani utilizzano da millenni turbine per alimentare l'innovazione industriale, a partire da semplici ruote idrauliche e mulini a vento collegati a mulini a pietra. Oggi, le turbine vengono utilizzate per ricavare l'energia da vento, acqua, aria compressa, vapore e gas riscaldati e generare energia elettrica al fine di rendere più efficienti i motori per auto, fare decollare velivoli e tanto altro. Il settore delle turbomacchine si focalizza sullo studio e sul miglioramento della termodinamica, della dinamica dei fluidi e dell'affidabilità di turbine e turbomacchine.

Tutte le turbine sono dotate di strutture sottili chiamate pale, fissate a un cilindro collegato a un albero, su cui scorre o viene esercitata la pressione di un liquido. Tuttavia, le turbine vengono classificate in modo diverso a seconda che generino energia dal movimento di un fluido (turbine a impulso) o sfruttino la pressione del fluido (turbine a reazione). 

Turbine a impulso

In una turbina a impulso, il flusso di un fluido urta contro una serie di pale che assomigliano a delle palette o a delle vaschette. L'energia cinetica generata del flusso viene convertita in energia meccanica durante lo spostamento delle pale. Ciò genera una forza che produce coppia sull'albero e fa girare il rotore.

La prima forma di turbina a impulso è stata una ruota idraulica, dove le pale su una ruota venivano spostate dalla corrente di un fiume o di un canale. Nelle moderne turbine a impulso, gli ugelli creano un flusso ad alta velocità di acqua, vapore o aria compressa. Diversamente dalle turbine a reazione, le turbine a impulso non necessitano di un contenitore per guidare il fluido. In un sistema di turbina a impulso, la pressione del fluido non cambia quando fuoriesce dall'ugello e la direzione del flusso viene spesso modificata in modo significativo dopo aver colpito le pale sulla turbina.

Turbine a reazione

Le turbine a reazione funzionano incanalando un fluido attraverso una serie di pale che lo espandono, convertendo la pressione sulle pale in forza. Ogni pala riceve lo stesso carico. Una turbina a reazione può avere più set di rotori, detti stadi, ottimizzati per la pressione in una determinata parte di flusso del fluido.

I tipi più comuni di turbine a reazione sono turbine eoliche e turbine a gas utilizzate per i motori a reazione. La maggior parte delle turbine a vapore e a gas naturale sono turbine a reazione. Le turbine a reazione utilizzano una carenatura o una cassa per indirizzare il flusso del liquido attraverso le pale della turbina. Il flusso nelle turbine a reazione subisce una significativa caduta di pressione quando il fluido passa attraverso la turbina.

Componenti principali delle turbine

Il modo migliore per capire il funzionamento delle turbine consiste nel conoscere la funzione di ciascun componente principale.

Pale della turbina

Le pale sono i componenti più importanti di una turbina. Queste sono collegate a un albero tramite una piattaforma, solitamente un disco. Le pale delle turbine sono talvolta chiamate pale del rotore. La pala di una turbina ha lo scopo di convertire il movimento o la caduta di pressione in una forza che agisce perpendicolarmente all'asse di rotazione, creando così coppia intorno all'albero.

Le pale della turbina possono essere semplici pale piatte che si immergono in un canale d'acqua perpendicolarmente rispetto alla direzione del flusso. Possono anche avere forme complesse, come nel caso di una turbina radiale in un turbocompressore di un modello a elica, per convertire il flusso proveniente dalla circonferenza del rotore verso l'interno in un flusso assiale allineato con l'albero. Alcune pale sono molto sottili e alte, come quelle di una turbina a vapore o di una turbina eolica. Altre sono più lunghe e relativamente spesse, come le pale ad alta pressione nei motori con turbina a gas.

Rotore della turbina

La ruota, il disco o il tamburo a cui sono collegate le pale della turbina è chiamato rotore della turbina.

Albero

La potenza meccanica prodotta dalle pale della turbina e trasferita dal rotore della turbina viene trasmessa tramite un albero. L'albero è collegato alla struttura statica tramite cuscinetti ad alta velocità. È possibile collegare più rotori allo stesso albero. L'albero è collegato a qualsiasi sistema alimentato dalla turbina, spesso attraverso un riduttore.

Riduttore

La velocità di rotazione o coppia dell'albero potrebbero non corrispondere all'applicazione di una turbina. Spesso a una turbina viene aggiunto anche un riduttore per aumentare o ridurre la velocità di rotazione e per abbassare o aumentare inversamente la coppia.

Gruppo rotore della turbina

Il gruppo rotore della turbina è la parte rotante di una turbina, costituita dal rotore, dall'albero e dalle pale della turbina. Questi tre componenti possono essere separati e assemblati attraverso diversi meccanismi, oppure possono essere realizzati da un unico pezzo di materiale.

Gruppo rotante

Un gruppo rotante è un insieme di gruppi rotore della turbina che ruotano alla stessa velocità. La maggior parte delle turbine a gas dispone di un gruppo rotante multistadio ad alta pressione che alimenta un compressore e un gruppo rotante a bassa pressione che aziona la ventola di propulsione o l'albero motore. In una turbina a vapore, vengono utilizzate più fasi per estrarre la pressione man mano che l'energia nel vapore diminuisce.

Pale o alette dello statore

La velocità, la portata e la direzione, nonché la pressione del flusso del fluido all'interno e all'esterno di un gruppo rotore della turbina, sono fondamentali per le prestazioni della turbina. Le turbine utilizzano pale fisse a monte e a valle del gruppo rotore per controllare la pressione, la velocità assiale e la velocità tangenziale o il moto vorticoso. Queste pale fisse sono chiamate pale dello statore o alette.

Stadio della turbina

Lo stadio della turbina si riferisce a un singolo gruppo rotore e ai suoi componenti statici di supporto, incluso lo statore con cui è collegato. Molte turbine hanno più stadi nella loro sezione e spesso hanno due o più sezioni della turbina, ciascuna ottimizzata per una specifica caduta di pressione.

Ugello

Un ugello converte la pressione in velocità e dirige il flusso sotto forma di un getto cilindrico verso l'angolo ottimale. Nelle turbine a reazione, le alette che convertono la pressione in velocità sono spesso chiamate ugelli.

Cuscinetti

I cuscinetti sono componenti fondamentali in qualsiasi turbina perché consentono al gruppo rotore di ruotare rispetto alle parti fisse del sistema. Velocità, temperatura, ambiente operativo e carichi di una turbina determinano tipologia e dimensioni dei cuscinetti.

Carenatura o cassa della turbina

La maggior parte delle turbine a reazione richiede una superficie solida sul diametro esterno del gruppo rotore della turbina per forzare il passaggio del fluido attraverso le pale. Questa copertura esterna è chiamata carenatura o cassa della turbina. La cassa della turbina fa solitamente parte della struttura statica di una turbina. Nel caso di un rotore della turbina con carenatura, viene aggiunta uno strato di materiale al diametro esterno del gruppo rotore.

Ingresso

L'ingresso è l'area in cui il fluido entra nella turbina. La forma dell'ingresso consente di ottenere la pressione e la velocità ottimali per la turbina. Le alette o le valvole mobili sono spesso posizionate negli ingressi per controllare il flusso verso la turbina.

Uscita

Il fluido operativo fuoriesce dalla turbina attraverso l'uscita. Gli ingegneri possono inoltre modificare la forma dell'uscita per ottimizzare le prestazioni.

Struttura statica

Le parti fisse (non rotanti) di una turbina. La struttura statica contiene l'ingresso e l'uscita, i supporti, l'hardware di raffreddamento, le strutture per i cuscinetti e un alloggiamento o cassa per mantenere il flusso all'interno della turbina e gli oggetti estranei fuori dal flusso.

Strumentazione e sistema di controllo

Una parte fondamentale di qualsiasi turbina è rappresentata dai sensori e dai controlli meccanici ed elettronici che misurano le proprietà fisiche della turbina. Solitamente fanno parte del sistema di controllo dell'intera turbomacchina evengono utilizzati per modificare i parametri di ingresso della turbina per garantire efficienza, prestazioni e sicurezza ottimali. 

Le turbine vengono classificate in modi diversi. Queste classificazioni fanno riferimento alle macchine rotanti che convertono l'energia di un fluido in movimento in lavoro utile, non all'intero sistema di turbomacchine o ai dispositivi esterni alimentati dalla turbina.

Tra i metodi più comuni per classificare il tipo di turbina utilizzata in una turbomacchina figurano:

• Fluido operativo: le turbine possono convertire energia da acqua, vento, vapore, gas riscaldati o aria compressa.
• Direzione del flusso: il flusso assiale è allineato all'albero, il flusso tangenziale è perpendicolare all'albero mentre il flusso radiale è diretto verso l'interno, dal diametro esterno verso l'albero. Alcune turbine prevedono un flusso misto, radiale all'ingresso e assiale all'uscita.
• Estrazione di energia tramite velocità o pressione: come detto in precedenza, le turbine a impulso utilizzano la velocità diretta sulla pala per creare una forza, mentre le turbine a reazione sfruttano la pressione.

Tipi e applicazioni comuni delle turbomacchine

È difficile parlare di turbine senza definire il tipo di macchina che alimentano. Di seguito è riportato un elenco dei tipi più comuni di turbomacchine, le fonti di energia per i fluidi operativi che utilizzano, nonché alcune applicazioni ben note per ciascuna.

Turbine ad acqua o idrauliche

Le turbine idrauliche o ad acqua sono il tipo di turbomacchina più vecchio. Il fluido operativo è costituito dall'acqua, mentre la fonte di energia dell'acqua è la gravità. Quando utilizzate per la generazione di energia nelle dighe, le turbine idroelettriche sono in genere a flusso misto e direttamente collegate a un generatore alla base della diga. Le turbine idrauliche vengono comunemente utilizzate per la generazione di energia.

Turbine a vapore

La maggior parte delle centrali elettriche del mondo utilizza turbine a vapore per produrre elettricità. L'acqua viene riscaldata per generare un cambiamento di fase, acquisendo un'energia significativa. Questa energia termica viene solitamente generata da una combustione di origine fossile, ma può anche provenire da un reattore nucleare. Una forma crescente di energia rinnovabile utilizza energia solare concentrata per far bollire l'acqua per le turbine a vapore nelle grandi centrali elettriche.

Turbine eoliche

Nel corso della loro storia, gli esseri umani hanno sviluppato mulini a vento e, successivamente, turbine eoliche per sfruttare l'energia eolica in sostituzione al lavoro umano e animale. La fonte di energia per il vento è il calore del sole nell'atmosfera. I moderni sistemi di energia eolica utilizzano turbine eoliche da tre pale di grandi dimensioni ed altamente efficienti raggruppate in parchi eolici rurali o offshore. La maggioranza delle turbine eoliche di grandi dimensioni, come quella mostrata nella foto in alto, sono turbine eoliche ad asse orizzontale. In ambienti urbani vengono talvolta utilizzate turbine eoliche più piccole con asse verticale. Sebbene in alcune parti del mondo l'energia eolica venga ancora utilizzata per azionare mulini e pompare acqua, la generazione di energia elettrica rappresenta oggi il principale utilizzo delle turbine eoliche.

Turbine pneumatiche

Gli utensili manuali ad alte prestazioni sono spesso azionati direttamente da aria compressa. L'energia viene aggiunta all'aria tramite un pistone e immagazzinata in un serbatoio a pressione. Una valvola rilascia l'aria ad alta pressione che colpisce una turbina a impulso, di solito una ruota Pelton, per creare velocità di rotazione molto elevate. La forma più comune di turbina pneumatica è un trapano odontoiatrico.

Turbine a gas o motori a turbina

Le turbine a gas, o turbine a combustione, sono un'ampia famiglia di turbomacchine che utilizza una camera di combustione per aggiungere energia a un gas che si espande attraverso una turbina. Le turbine che forniscono propulsione sono chiamate motori a turbina. Le turbine a gas di solito includono anche un compressore azionato da un gruppo rotante nella sezione della turbina che migliora l'efficienza di combustione. Le classificazioni delle turbine a gas includono il tipo di combustione utilizzata o il modo in cui viene impiegata la loro potenza in uscita.

• Turbine elettriche: si tratta di turbine a gas, solitamente alimentate da gas naturale, che forniscono energia elettrica anziché propulsione.
• Turbocompressori: una turbina estrae l'energia, altrimenti inutilizzata, dalla combustione in un motore a combustione interna per alimentare un compressore a monte dei cilindri, rendendo la combustione più potente.
• Turbogetti: i motori a turbogetto producono la spinta per aeromobili dalla sola combustione e hanno un unico gruppo rotante che, allo stesso modo di un turbocompressore, aziona un compressore aumentandone l'efficienza di combustione.
• Turboventole: i motori a turboventola sono dotati di un secondo gruppo rotante che aziona una grande ventola, un'efficiente elica con carenatura che è la principale fonte di spinta. Sono più efficienti dei motori a turbogetto e rappresentano la principale forma di propulsione per gli aeromobili commerciali.
• Turboalberi: invece di produrre spinta per la propulsione, i motori a turboalbero producono una coppia per azionare un'elica per aeromobili, un'elica per imbarcazioni o ruote per veicoli terrestri.
• Turbopompe: le turbopompe utilizzano i gas caldi dalla combustione per azionare le pompe. I tipi più comuni di turbopompa sono le pompe di erogazione di carburante per motori a razzo propellente liquido o le pompe ad alta portata per l'estrazione di petrolio e gas. 

Gli ingegneri che lavorano alla progettazione di turbine sono sempre alla ricerca di metodi diversi per la definizione e l'ottimizzazione di una turbina. Per i primi modelli di turbina si procedeva per prove e tentativi, quindi si passava a equazioni semplici per sviluppare la geometria delle pale, la configurazione dell'ingresso e la progettazione del rotore. Tuttavia, con la crescente richiesta di turbine più efficienti a costi inferiori, ci si è rivolti alla simulazione avanzata per lo sviluppo dei progetti.

Come per tutti i lavori di progettazione, anche la progettazione delle turbine costituisce un compromesso tra costi, efficienza, prestazioni e affidabilità. Per le turbine utilizzate nella propulsione di aeromobili, gli ingegneri devono tenere anche in considerazione il peso.

Progettazione del percorso del flusso

La configurazione di base di una turbina viene stabilita durante la fase di progettazione del percorso del flusso. Gli ingegneri delle prestazioni osservano il comportamento termodinamico di una turbina nel contesto dell'intero sistema di turbomacchine che la turbina sta alimentando. Possono utilizzare uno strumento 2D di analisi del flusso come il software per la progettazione di turbomacchine Ansys Vista TF per provare diversi tipi di flussi, le configurazioni degli stadi, le opzioni di statori e la geometria di ingresso e uscita.

Design di pale e statori

Una volta definito un percorso del flusso, il passo successivo consiste nel progettare le pale e gli statori della turbina che appartengono a ciascuna fase. I calcoli di base, denominati diagrammi vettoriali, possono fornire ai tecnici alcune stime preliminari. In seguito, è necessario generare una geometria 3D e utilizzare uno strumento di fluidodinamica computazionale (CFD) generale come il software di simulazione dei fluidi Ansys Fluent o una piattaforma CFD specifica per turbomacchine come il software Ansys CFX. Gli ingegneri utilizzano questi strumenti per perfezionare la geometria 3D e ottimizzare l'estrazione di energia dal flusso di un fluido in diverse condizioni operative. La progettazione delle pale è un processo iterativo che si perfeziona nel tempo.

Progettazione di componenti a multistadio e transitori

Una volta completata la progettazione delle pale, il passo successivo consiste nell'ottimizzare il funzionamento combinato delle fasi statiche e rotanti. Gli angoli della pala e dello statore di ciascuna fase vengono modificati in modo che sia possibile esaminare il flusso statico e transitorio nel tempo, utilizzando le funzionalità avanzate di strumenti specifici per turbomacchine come il software CFX o Fluent, in grado di modellare le aree statiche e rotanti.

Progettazione strutturale e termica

La progettazione delle parti rotanti e delle parti statiche di una turbina è un processo impegnativo e complesso a causa delle condizioni di carico estreme e della natura ciclica di questi carichi elevati. Anche le alte temperature delle turbine a gas e a vapore presentano sfide specifiche, come nel caso delle vibrazioni indotte dalla pressione ciclica e dai carichi rotazionali che le turbine incontrano. La maggior parte degli ingegneri termici e meccanici coinvolti nella progettazione di turbine sono passati a utilizzare strumenti di simulazione multifisica generici, come il software di analisi strutturale a elementi finiti (FEA) Ansys Mechanical, per acquisire il comportamento statico, dinamico e delle vibrazioni di ciascun componente e gruppo in una turbina. Questi includono la simulazione di cuscinetti, raffreddamento secondario, dinamica del rotore, le sollecitazioni di dischi, pala, affidabilità e sollecitazioni termiche. Gli ingegneri possono anche associare uno strumento CFD, come il software CFX, a un programma strutturale come il software Mechanical per comprendere l'interazione delle vibrazioni tra i domini dei fluidi e strutturali.

Progettazione di sistema

Gli ingegneri devono anche progettare turbine nel contesto dell'intero sistema a cui appartengono. Una volta mappato il sistema, si utilizza uno strumento di ingegneria dei sistemi basata su modelli (MCSE) come il software Ansys ModelCenter per garantire che ciascun componente sia ottimizzato a livello di sistema.

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