Il potenziale delle turbine a gas nell’industria automobilistica

Nell’industria automobilistica, cosi come in altri settori, si trovano tecnologie tradizionali che sono state consolidate, utilizzate da decenni o addirittura secoli insieme a soluzioni innovative che, seppur meno conosciute, risultano estremamente affascinanti ed interessanti dal punto di vista tecnico.

La turbina a gas rientra in questa seconda categoria. Sebbene questo dispositivo sia stato utilizzato in molti altri settori, non ha guadagnato una popolarità significativa nel trasporto su strada. Tuttavia, ciò non significa che i tentativi di attuare questa idea non abbiano mai avuto luogo.

Definizione

Come i motori a combustione interna, anche una turbina a gas è classificata come motore termico. Il principio di funzionamento rimane lo stesso: il carburante viene consegnato in uno spazio aperto o chiuso, dove viene bruciato con ossigeno utilizzando l’energia generata nel processo di combustione.

In un certo senso, la turbina a gas può essere definita come un motore di tipo Otto.

Tuttavia, vi sono differenze significative tra i due. Una di queste è il fatto che la turbina a gas non funziona secondo il principio di fasi cicliche, chiaramente separate e che si ripetono periodicamente, ma il flusso di aria e carburante è continuo. Questo è il motivo per cui tali unità sono caratterizzate da livelli di flusso d’aria molto elevati, con le ruote del compressore che spingono l’aria ad alta pressione nelle camere di combustione.

Potrebbe sorgere la domanda su quale sia l’applicazione di questo processo di combustione. Il termine “turbina a gas” è un nome generale ed esistono diversi sottotipi a seconda del design e dell’applicazione.

Probabilmente il sottotipo più famoso di turbina a gas è il motore a reazione. Il termine “turbina a gas” viene utilizzato quando la forza di reazione generata durante la combustione viene utilizzata alla fine del processo. Di conseguenza, l’enorme aumento del volume dei gas di scarico dalla parte posteriore del motore spinge il veicolo in avanti. I motori a reazione possono essere temporaneamente accelerati se sono dotati di un postcombustore, ovvero una camera che fornisce carburante aggiuntivo. Di conseguenza, la potenza può essere aumentata di un ulteriore 45-50%.

Tuttavia, non è possibile utilizzare la forza di reazione solo per azionare veicoli che utilizzano una turbina a gas. C’è anche un’opzione per creare un sistema di azionamento meccanico. Gli esempi includono le turbine utilizzate nelle centrali elettriche, che tipicamente azionano i generatori tramite un cambio o un collegamento meccanico diretto all’albero (nome completo: turbina a gas azionata dall’albero). Inoltre, ci sono turbine a gas a elica; in questi casi il movimento rotatorio può essere generato anche dalle pale del ventilatore poste nel percorso dei gas di scarico.

Storia

Non conosciamo la data esatta della prima descrizione del funzionamento delle turbine a gas, né il suo autore. Il primo brevetto conosciuto in questo campo fu concesso a John Barber nel 1791. Tuttavia, i veri progressi in questo campo apparvero più di cento anni dopo, nel 1897, quando l’ingegnere russo P. D. Kusminski creò il primo modello funzionante di una turbina a gas, che sfortunatamente fallì rapidamente.

Nella prima metà del XX secolo non furono trovate applicazioni pratiche che giustificassero un ulteriore sviluppo di questa tecnologia. In Europa, furono realizzati diversi progetti sperimentali di turbine a gas per la produzione di energia, ma la vera svolta avvenne durante la seconda guerra mondiale, quando fu svolto un intenso lavoro sullo sviluppo dei motori.

Nel 1939, i tedeschi avevano motori a reazione funzionanti e, alla fine della guerra, praticamente tutte le principali potenze in conflitto avevano i propri motori a reazione. I problemi legati alla resistenza alle alte temperature, che inizialmente costituivano una sfida, furono superati da materiali sempre migliori, che aprirono la strada alle loro applicazioni industriali.

Principio di funzionamento di una turbina a gas in un veicolo

Una turbina a gas monoalbero non è adatta per alimentare veicoli a motore a causa della sua ampia gamma di velocità, che va da 6.000 a 8.000 giri al minimo. Se una turbina viene fatta funzionare al di sotto della sua velocità operativa ideale, la sua coppia e potenza diminuiscono drasticamente, molto più che con i motori a combustione interna a pistoni. Ciò lo rende inadatto all’uso nei veicoli stradali.

Nel caso dei veicoli, è consigliabile utilizzare una turbina a gas a pressione costante composta da due componenti della turbina. Una di queste turbine alimenta solo il compressore, mentre l’altra, chiamata turbina funzionante, aziona le ruote dell’auto grazie all’apposito rapporto di trasmissione. Le caratteristiche di coppia diventano quindi molto più favorevoli rispetto a quelle dei motori a benzina e diesel perché la coppia della turbina a gas è maggiore durante l’avviamento, il che può addirittura eliminare la necessità di un cambio. Tuttavia il cambio è ancora presente nelle implementazioni pratiche perché è necessario inserire la retromarcia.

All’aumentare del carico, la velocità della turbina in lavoro diminuisce e il compressore viene azionato dalla seconda turbina a piena velocità perché le due turbine non sono accoppiate meccanicamente. Una turbina da lavoro converte l’energia termica in lavoro meccanico, proprio come i motori a pistoni.

Tuttavia, come accennato in precedenza, esiste un’importante differenza: la combustione continua in una turbina rispetto alla combustione ciclica in un motore a pistoni. Va inoltre notato che la turbina a gas presenta alcuni svantaggi, tra cui l’elevato consumo di carburante. Una turbina a gas utilizza come combustibile il distillato di petrolio, cioè il cherosene. Per ridurne i consumi è stato introdotto uno scambiatore di calore nella struttura della turbina a gas. Pur essendo un componente grosso e pesante, è essenziale perché permette alla turbina a gas da circa 110 kW di consumare 300-340 grammi di carburante per ogni kilowattora a pieno carico, cifra paragonabile alle prestazioni di un motore Otto di pari potenza. energia.

Tuttavia, il vero ostacolo alla diffusione della turbina a gas, oltre al suo peso elevato, è l’elevato consumo di carburante a carico parziale. In questa fascia i consumi aumentano molto di più che con i motori a pistoni. La maggior parte dei trasporti stradali avviene a carico parziale.

In generale, l’efficienza di tutti i motori termici diminuisce al diminuire della temperatura del mezzo di lavoro. Poiché la combustione in una turbina a gas è continua, è più sensibile al funzionamento a carico parziale rispetto ai motori a pistoni.

Turbine a gas per autovetture

Anche se non c’è stata un’epoca in cui si potesse vedere sulla strada un’auto con turbina a gas, ci sono già stati diversi tentativi di utilizzarla.

Questo era, ad esempio, il motore Rover presentato nel 1952, che venne inserito nel modello 85, serie Ford dalla 704 alla 707 e venne installato soprattutto sugli autocarri, MAN MTU 7042, Volkswagen GT 70.

Attualmente non sono in produzione autovetture con turbina a gas, ma il dispositivo può ancora essere trovato in alcuni veicoli, come il carro armato M1 Abrams.