Sistemi di raffreddamento e comportamenti termici in una turbomacchina

Le turbine a gas di derivazione aeronautico posseggono caratteristiche di affidabilità, leggerezza e versatilità che gli permettono di essere preferite ad altri sistemi propulsivi navali in molteplici soluzioni; per comprendere la loro flessibilità basti pensare che una stessa turbomacchina può essere adattata all’impiego in campo aeronautico, navale nonché terrestre con poche e semplici modifiche costruttive, lasciando intatti quelli che sono gli elementi base caratteristici. È questo spirito che ha portato allo sviluppo della serie GE LM, tra cui la LM2500 adottata a bordo delle UU.NN. della M.M. e descritta nel presente elaborato, le cui caratteristiche ne fanno di gran lunga la macchina più ricercata e su cui GE investe molto. La ricerca è rivolta soprattutto nell’aumento del rendimento globale, nella riduzione delle perdite fluidomeccaniche, dei consumi e delle emissioni di NOx., tutte caratteristiche dipendenti essenzialmente dalla massima temperatura raggiungibile dal ciclo T3, che diventa l’elemento centrale su cui concentrare gli sforzi di tutto lo sviluppo tecnologico. L’incremento della T3 è però vincolata dai limiti tecnologici dei materiali impiegati, quindi per le caratteristiche richieste si sono elaborate delle nuove superleghe e riviste le tecniche di fonderia; nonostante il continuo sviluppo in fatto di materiali, ciò che più permette di innalzare le temperature d’esercizio è il sistema di raffreddamento dei componenti della turbina mediante aria spillata dal compressore.
Questo però garantendo una notevole affidabilità, presenta margini di miglioramento notevolmente ridotti. Infatti le attuali tecnologie di refrigerazione per convezione interna e impingement e refrigerazione esterna di film cooling garantiscono temperature d’esercizio fino a 1200°C; l’impiego della ceramica potrebbe innalzarle fino a 2000°C, con notevoli vantaggi termodinamici. Nell’elaborato sono presentati alcuni dei materiali compositi ceramici che potrebbero essere impiegati come parti costituenti di combustori e palettature, ponendoli a confronto con i materiali attualmente impiegati e sottolineandone i limiti tecnologici che attualmente ne impediscono l’adozione.
Se nel futuro riuscirà il loro impiego allora si potrà contare su turbomacchine di potenza notevolmente maggiore ma con consumi specifici, perdite ed emissioni di NOx ridotti.