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Cap.7 - I cicli termici delle macchine motrici
In questo caso, tuttavia, anche la curva del rendimento presenta un massimo per un valore del
rapporto di compressione più elevato di quello della Eq.(7.42). Nel caso reale, inoltre, il
rendimento aumenta anche all’aumentare della temperatura massima del ciclo, T 3 , e questo
giustifica la tendenza all’aumento di quest’ultima. Nella selezione del rapporto di
compressione per una macchina reale, bisogna quindi scegliere il valore del rapporto di
compressione in modo da operare in condizioni di massimo rendimento o di minimo
ingombro. I motori aeronautici lavorano generalmente in condizioni di massimo rendimento,
dato che questo permette di ridurre il carico di combustibile e quindi il peso globale
dell’aeromobile. Al contrario, spesso gli impianti fissi vengono progettati per le condizioni di
minimo ingombro per ridurre i costi di impianto. Notare anche che la condizione di massimo
rendimento implica un rapporto di compressione maggiore di quella di minimo ingombro. La
distanza tra i due valori ottimali del rapporto di compressione cresce con T 3 .
1400
1200
3
1000
T (K)
800
600
2
4
400
1
200
0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
s (kJ/kg)
Figura 21: Ciclo Brayton reale sul diagramma T-s.
Indicativamente, i rapporti di compressione attualmente adottati oscillano tra 5 e 15 per
impianti fissi (detti anche heavy duty) e tra 15 e 30 per motori aeronautici o turbine fisse
aeroderivate (ovvero, derivate da motori aeronautici). C’è tendenza ad aumentare il rapporto
di compressione (fino a 40:1). Le potenze installate sono da poche decine di kW fino a
rispettivamente 200 MW per heavy duty e 40 MW per aeroderivate. I rendimenti sono, tranne
poche eccezioni, intorno al 33-42%, ma si pensa di riuscire a superare in futuro il 45%. La
temperatura massima di ammissione in turbina nelle applicazioni civili è attualmente di 1300
°C (oltre 1500 °C per gli aerei militari) e raggiungerà i 1450 °C nelle turbine di prossima
generazione. Questo comporta l’adozione di sofisticati sistemi di raffreddamento delle
palette, che, essendo alimentati dal compressore, possono impegnare fino al 20% dell’aria
aspirata dalla macchina.
Gli impianti a ciclo Brayton devono il loro successo al limitato rapporto peso-potenza che,
oltre a renderli adatti alla propulsione aeronautica, rende gli impianti fissi compatti e
consegnabili “chiavi in mano”. Inoltre, presentano brevi transitori di avviamento e sono
quindi utili a far fronte ad improvvisi picchi nelle richieste di potenza. Come tutti i motori a
combustione interna, non hanno coppia allo spunto e per l’avviamento hanno bisogno di un
motore di lancio.
P.Di Marco – Appunti ed Esercizi di Fisica Tecnica e Macchine Termiche 7-31