Dall'Aria al Potere: Capire il Motore a Turbina a Gas

Principio di Funzionamento del Motore a Gas

Il compressore, azionato dal turbine, aspira continuamente aria dall'atmosfera e la comprime aumentandone la pressione. L'aria compressa entra nella camera di combustione, si mischia con il carburante iniettato e brucia. Dopo essere diventata un gas di combustione ad alta temperatura, scorre nel turbine espandendosi e svolgendo lavoro. Dopo aver svolto il lavoro, la pressione del gas di combustione scende alla pressione atmosferica ed è scaricata nell'atmosfera.

Quindi, le tre parti principali di un motore a gas sono il compressore, la camera di combustione e il turbine.

Un compressore ad asse ha molte pale, simili in forma a quelle di un elica, ma divise in "pale mobili" e "pale fisse". Le pale mobili ruotano come un'elica, spingendo il flusso d'aria all'indietro durante la rotazione. In questo momento, la pressione del flusso d'aria aumenterà e anche la temperatura salirà.

La funzione delle pale fisse è di guidare il flusso d'aria rotante generato dall'azione delle pale mobili verso la direzione assiale e farlo entrare nel successivo insieme di rotor a un angolo corretto. Di solito, un insieme di pale mobili e un insieme di pale fisse sono configurati alternativamente, e un insieme di pale mobili e un insieme di pale fisse vengono chiamati una stadio.

Inoltre, esiste un compressore radiale. Esso utilizza la forza centrifuga generata dalla rotazione dell'elica per spingere il flusso d'aria verso l'esterno, generando così un effetto di pressurizzazione. Un compressore radiale mono-stadio può avere il rapporto di compressione di diverse fasi di compressori assiali, il che lo rende una buona scelta per piccoli motori a gas.

La camera di combustione converte l'energia chimica del carburante in energia termica, riscaldando l'aria a alta pressione compressa dal compressore a una temperatura elevata in modo che possa essere espansa nel turbine per svolgere il lavoro. Il carburante può essere un carburante liquido (come la benzina) o un carburante gassoso (come il gas naturale).

Davanti alla custodia della camera di combustione c'è l'ingresso d'aria che conduce al compressore, e dietro c'è l'uscita del gas caldo che conduce al turbine.

La funzione del turbine è quella di convertire l'energia contenuta nel gas di combustione ad alta temperatura e alta pressione in energia meccanica.

Attualmente, vengono utilizzati principalmente turbine ad asse, caratterizzate da alta potenza, grande flusso e alta efficienza. Il turbine centrifugo è un turbine a flusso radiale, utilizzato principalmente in alcuni gas turbine di piccola potenza.

Una turbina a gas è una macchina elettromeccanica interna che utilizza un gas in continuo flusso come fluido operativo per far ruotare ad alta velocità l'elica, trasformando l'energia del carburante in lavoro utile. È un motore termico rotante.

Nel processo principale di aria e gas in una turbina a gas, c'è solo un ciclo della turbina a gas composto da tre componenti principali: un compressore, una camera di combustione e una turbina a gas, che viene generalmente chiamato ciclo semplice. La maggior parte delle turbine a gas utilizza uno schema di ciclo semplice.

Il compressore aspira aria dall'ambiente atmosferico esterno e la comprime gradualmente attraverso un compressore ad asse per aumentare la pressione, mentre la temperatura dell'aria aumenta di conseguenza; l'aria compressa viene inviata nella camera di combustione, dove si mischia con il carburante iniettato per bruciare e generare gas ad alta temperatura e alta pressione; successivamente entra nel turbine per espandersi e svolgere lavoro, facendo ruotare il turbine che a sua volta fa girare il compressore e il rotore del carico esterno ad alta velocità, realizzando la conversione parziale dell'energia chimica del carburante gassoso o liquido in energia meccanica, e fornendo lavoro elettrico. I gas di scarico emessi dal turbine vengono rilasciati nell'atmosfera per dissipare il calore naturalmente. In questo modo, il turbogas converte l'energia chimica del carburante in energia termica, e poi converte parte di quest'ultima in energia meccanica. Di solito, in un turbogas, il compressore è azionato dal lavoro di espansione del turbine, che rappresenta il carico del turbine. In un ciclo semplice, circa metà a due terzi del lavoro meccanico prodotto dal turbine viene utilizzato per azionare il compressore, mentre il restante terzo del lavoro meccanico viene utilizzato per azionare il generatore. Quando il turbogas viene avviato, è necessaria una fonte di alimentazione esterna. Generalmente, il motore di avviamento fa girare il compressore fino a quando il lavoro meccanico prodotto dal turbine diventa maggiore del lavoro meccanico consumato dal compressore. A quel punto, il motore di avviamento esterno viene disattivato e il turbogas può funzionare in modo autonomo.