Tipi di turbine

CHE COS'È UNA TURBINA?

La scorsa settimana abbiamo analizzato la storia delle pale delle turbine nella nostra rubrica ALL ABOUT BLADES. Questa settimana ci concentreremo su cos'è una turbina, come funziona e cosa la rende diversa.

Una turbina è una macchina per la generazione continua di energia in cui una ruota o un rotore, di solito dotato di pale, viene fatto ruotare da un flusso veloce di acqua, vapore, gas, vento o altro fluido. Ne sono un esempio la diga di Hoover o le imponenti cascate del Niagara, dove l'acqua scorre attraverso turbine che ruotano sotto la pressione dell'acqua in caduta, generando quasi 4,9 milioni di kilowatt che alimentano 3,8 milioni di abitazioni. Sapevate che in Germania ci sono 7.254 centrali idroelettriche al 2020? Oppure pensiamo ai famosi vecchi mulini a vento in Olanda, precursori delle odierne turbine eoliche, che sono una fonte di energia rinnovabile efficace e poco costosa per la produzione di elettricità.

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DIVERSI TIPI DI TURBINE

In ingegneria meccanica, le turbomacchine sono macchine che trasferiscono energia tra un rotore e un fluido o un vapore. Questo comprende sia le turbine che i compressori, spesso utilizzati nell'industria automobilistica (turbocompressori), in quella aerospaziale (turbine per aerei), nel settore energetico (turbine a gas e a vapore) e nell'industria (compressori).

Le turbine possono essere suddivise in base alla direzione del flusso. Le tre aree principali sono radiale, diagonale e assiale, e il mezzo di flusso determina il tipo di turbina. I quattro tipi principali sono vapore, gas, acqua e vento. Tutte le turbine sono importanti e svolgono un ruolo fondamentale nell'industria, ma noi ci concentreremo solo su vapore e gas, il che ci porta a considerare la direzione del flusso assiale e radiale.

Qual è la differenza tra turbine assiali e radiali? In una turbina radiale, il flusso è uniformemente orientato perpendicolarmente all'asse di rotazione e aziona la turbina nello stesso modo in cui l'acqua aziona un mulino ad acqua. Il risultato è una minore sollecitazione meccanica (e termica nel caso di fluidi di lavoro caldi), che consente a una turbina radiale di essere più semplice, più robusta e più efficiente (in un intervallo di potenza simile) rispetto alle turbine assiali. Nella turbina assiale, il fluido di lavoro scorre parallelamente al compressore assiale dell'albero e converte il flusso del fluido in energia meccanica di rotazione.

Tutte le turbine sono importanti, ma è il profilo complesso della turbina a reazione che misuriamo più spesso.

MAGGIORI INFORMAZIONI SU TURBINE E COMPRESSORI ASSIALI

#allaboutblades riguarda essenzialmente le pale delle turbine e quindi vogliamo concentrarci sulle turbomacchine assiali. Le turbine e i compressori assiali sono costituiti da diversi stadi. Gli stadi sono la combinazione di una coppia di lame rotanti e stazionarie (palette). Le pale sono collegate al rotore, le palette alla fusione. La funzione principale delle pale è quella di assicurare il trasferimento di energia tra il gas e il rotore. Le palette, invece, preparano il gas per l'ingresso nella successiva serie di palette rotanti e reindirizzano il flusso di gas in transito dalla precedente serie di palette alla successiva serie di palette. Il risultato è un flusso guidato di aria compressa, vapore energetico o gas di scarico attraverso la turbina/compressore per trasferire la massima quantità di energia.

Le turbine assiali e i compressori sono tipi diversi di turbomacchine con gli stessi principi di base, solo invertiti. Le turbine sono alimentate con gas ricco di energia che scorre attraverso la turbina. Passo dopo passo, trasferisce la sua energia alle lame. Il gas che scorre si espande e quindi le pale e le alette aumentano di dimensioni lungo il percorso assiale del gas. Alla fine, tutta l'energia viene trasferita alle pale e quindi al rotore per azionare un'altra macchina. Nella generazione di energia nelle centrali elettriche, la turbina è collegata a un generatore per produrre elettricità.

Un compressore funziona in modo opposto ed è azionato da un motore. L'aria viene aspirata dalle pale rotanti e spinta attraverso il compressore. Ciascuna serie di pale/valvole è leggermente più piccola, il che conferisce all'aria una maggiore energia e compressione.

TURBINE A GAS: I DUE MONDI COMBINATI

Le turbine aeronautiche sono dotate di un compressore e di una turbina, tra i quali si trova la camera di combustione. L'aria viene aspirata nella turbina, compressa e miscelata con il combustibile in modo che avvenga la combustione, dando luogo alla spinta. Inoltre, una turbina nel flusso di gas di scarico viene attivata dal flusso di gas di scarico. La girante della turbina è collegata al compressore e agisce quindi come un motore meccanico di collegamento al compressore, azionandolo. Tuttavia, l'energia principale del gas di scarico caldo viene utilizzata per generare la spinta aumentando la sua velocità attraverso l'ugello.

Questo principio di base si ritrova anche nei motori a turbogetto/jet, i tipi più semplici di turbine a gas per aerei.

La turbina a gas turbofan è il tipo di motore a turbina più comunemente utilizzato oggi negli aerei. Il principio di base è lo stesso, ma i componenti sono più complessi. Inoltre, sono presenti un ventilatore e un sistema di bypass per aumentare ulteriormente l'efficienza e la stabilità della turbina.

I motori ad albero turbo sono ampiamente utilizzati in applicazioni che richiedono una potenza elevata e sostenuta, un'elevata affidabilità, dimensioni ridotte e peso ridotto. Trovano applicazione in elicotteri, unità di potenza ausiliarie, imbarcazioni e navi, carri armati, hovercraft e apparecchiature fisse.

LA STRUTTURA DEL FOGLIO

La pala e la paletta hanno funzioni diverse, ma presentano elementi geometrici simili. La pala reindirizza il percorso del flusso, mentre la paletta trasferisce l'energia tra il gas e il rotore. Le pale devono operare a velocità e temperature elevate, mentre le palette guidano il flusso spinto dalle pale rotanti allo stadio successivo della turbina con un'efficienza ottimale. Sia le lame che le palette di guida devono essere resistenti all'ossidazione, alla corrosione e all'usura e avere una lunga durata.

Questo è uno degli aspetti più importanti che le aziende considerano quando migliorano le loro lame per aumentarne le prestazioni e prolungarne la durata.

LA MISURAZIONE AUMENTA L'EFFICIENZA

La struttura e la funzione del secchio sono costituite da tre aspetti:

1) La radice viene utilizzata per fissare la pala al rotore o all'involucro. A seconda del carico meccanico, della precisione di fissaggio richiesta e dei costi di produzione, le radici possono variare. Discuteremo questo argomento in modo più approfondito in futuro.

2) La pala, sagomata funzionalmente per garantire una corretta interazione con il flusso di gas, è progettata per deviare il percorso del flusso mentre la pala trasferisce energia tra il gas e il rotore. Il profilo aereo passa alla radice e al mantello attraverso un raggio di transizione e una superficie di piattaforma curva. Il profilo è costituito da un lato di pressione e uno di aspirazione, con un bordo d'attacco e uno d'uscita, che faranno parte del nostro blog dettagliato.

3) Il mantello è opzionale e dipende dall'applicazione della turbina. Le pale avvolte sono utilizzate per controllare e ridurre al minimo le correnti di dispersione tra le punte delle pale e le pale e per limitare l'ampiezza delle vibrazioni per garantire la creazione di un anello esterno stabile.

WENZEL MISURE #PIÙPARTIPIÙVELOCI

Nella produzione di lame, esiste un'ampia varietà di forme, dimensioni e requisiti per qualsiasi applicazione desiderata. I profili sono progettati per massimizzare le prestazioni richieste. Indipendentemente dalle dimensioni, dalla superficie o dai tempi di consegna, non ci sono limiti per CORE . Il sistema di scansione ottica ad alta velocità è progettato per le condizioni difficili di un ambiente di produzione diretto. CORE M è caratterizzato da stabilità alla temperatura, resistenza allo sporco e alle vibrazioni. Gli azionamenti lineari altamente dinamici e la robusta macchina base del sistema di misura a 6 assi consentono di effettuare misure ad alta velocità.

L'innovativo sensore di prossimità ottico ad alta intensità di WENZEL garantisce un rapido rilevamento dei punti, anche su componenti difficili da raggiungere e superfici altamente riflettenti, senza dover riposizionare il componente o pretrattare le superfici.

CORE M ha un volume di misura di 500 mm x 500 mm x 2.500 mm, che lo rende ideale per la misurazione di componenti di grandi dimensioni. All'interno dell'alloggiamento della macchina è presente un sistema di contrappesi dinamici che contrastano le forze generate dal movimento ad alta velocità dello scanner, in modo da non perdere precisione anche a velocità di misura notevolmente elevate. Il pacchetto software completo di WENZEL consente valutazioni semplici e veloci sulle pale con il software di analisi delle pale WM | Blade Analyzer, sviluppato in collaborazione con i partner industriali.

Come avrete notato, amiamo misurare le pale delle turbine con il loro grigio canna di fucile e il loro design elegante e aggraziato. Questi piccoli pezzi hanno un impatto significativo che ci permette di viaggiare per il mondo, di costruire le nostre economie e di proteggere i nostri Paesi e i nostri cari, tutte buone ragioni per farlo. Vi invito a godervi una rilassante crociera fluviale su un vecchio battello a vapore, a stupirvi delle dimensioni delle grandi turbine eoliche, a visitare le cascate del Niagara e a pensare a quanta strada abbiamo fatto nei secoli. Ricordate che i miglioramenti sono stati apportati grazie alle misurazioni e che la tecnologia si è evoluta.

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