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  • Sintesi dei lavori della giornata di studio sui combustori di turbina a gas - Firenze, 6 Novembre 2018


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Comitato Organizzatore:
Prof. Bruno Facchini, Università degli Studi di Firenze
Prof. Antonio Ficarella, Università del Salento
Prof. Sergio Camporeale, Politecnico di Bari
Prof. Pietro Zunino, Università di Genova
Dr. Antonio Andreini, Università degli Studi di Firenze
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Giornata di studio sui combustori di turbina a gas

6 novembre 2018

Università degli Studi di Firenze
Aula Magna del Rettorato
Piazza San Marco 4, 50121, Firenze

Summary::

La giornata ha avuto come obiettivo la condivisione delle attività di ricerca svolte dai vari Atenei nazionali nell’ambito dei combustori di turbina a gas, affrontando le discipline che interessano questi dispositivi (combustione, aerodinamica, scambio termico/cooling, termoacustica, flussi bifasici, combustibili etc..), nelle loro varianti applicative (motori aeronautici, turbogas e microturbine).

L’evento si è tenuto il 6 Novembre 2018 presso l’Aula Magna del Rettorato dell’Università degli Studi di Firenze ed ha avuto un ottimo riscontro, con oltre 30 partecipanti iscritti.

La giornata si è aperta con l’intervento delle 3 principali realtà nazionali nel campo delle turbine a gas (Baker Hughes-GE, Ansaldo Energia e AvioAero). Gli interventi, effettuati da figure chiave delle rispettive compagini aziendali, hanno suscitato un sentito interesse da parte dei partecipanti. Gli elementi chiave delle relazioni possono essere così sintetizzati:

  • Nel campo della power generation tramite turbogas, sia essa relativa a sistemi e impianti di piccola taglia (mercato di Baker Hughes GE) o relativa ai grandi gruppi combinati (mercato di Ansaldo Energia), la necessità di una forte flessibilità nell’erogazione della potenza fornita, dettata dall’integrazione con la produzione da fonti rinnovabili, avrà un notevole impatto sullo sviluppo dei sistemi di combustione. Le varie tecnologie di combustori a basse emissioni inquinati (principalmente NOx ma anche CO e UHC), ormai imprescindibili per applicazioni avanzate delle turbine a gas, dovranno fornire garanzie di operabilità sempre più esasperate.
  • Alla luce della forte integrazione prevista con la power generation da fonti rinnovabili, è prevista nei prossimi anni una significativa richiesta di turbine a gas capaci di lavorare con combustione di idrogeno, in uno scenario in cui tale combustibile potrà essere disponibile in grandi quantità a fronte del suo utilizzo come vettore energetico per immagazzinare il surplus di energia elettrica prodotto da fonti rinnovabili. La combustione dell’idrogeno è quindi attesa come una nuova ulteriore sfida nello sviluppo di combustori di turbina a gas nel prossimo decennio, andando oltre, in termini di emissioni inquinanti e operability, a quanto già fatto nel corso del decennio precedente che ha visto l’idrogeno supportato nei sistemi di combustione ottimizzati per syngas proveniente dalla gassificazione del carbone..
  • La necessità di una forte capacità di fuel flexibility rimane uno dei fattori chiave per lo sviluppo di una turbina a gas destinata ad applicazioni Oil&Gas dove la necessità di poter bruciare in maniera stabile e pulita miscele di gas con contenuti in Etano o Propano (C2/C3) elevati o con bassi poteri calorifici, costituisce un punto di forza fondamentale.
  • Per quanto riguarda l’ambito aeronautico ed in particolare quello dei motori di piccola taglia in cui risulta impegnata AvioAero relativamente allo sviluppo di combustori, vede come aspetti chiave la riduzione dei costi e del peso del componente, questi aprono necessariamente all’adozione di tecniche di fabbricazione mediante ADM. Questo pone problemi tecnologici rilevanti, non solo per quello che riguarda gli aspetti strutturali del componente ma anche per l’impatto che tali tecniche di manufacturing hanno sull’incertezza dimensionale delle varie features del combustore (swirler, forature di diluzione, sistema di cooling), tutto questo unito agli elevatissimi carichi termici che interessano il dispositivo per via della sua estrema compattezza, rende la progettazione aero-termica particolarmente critica.

La giornata ha visto poi gli interventi del Istituto Ricerche sulla Combustione (IRC) del CNR e del centro sperimentale Sesta-Lab, che hanno fornito una panoramica delle rispettive capabilities nella realizzazione di test sperimentali su dispositivi di combustione, con IRC in grado di fornire supporto su sistemi di diagnostica ottica dei processi di combustione e Sesta-Lab che si conferma tra le più rilevanti facility per test industriali di combustori completi in condizioni full scale a livello europeo. Per quanto riguarda gli atenei nazionali e i contributi dei vari membri AIMSEA, si riporta di seguito una rapida sintesi:

  • Università degli Studi di Firenze
    • HTC-Group. Il team, coordinato dal Prof. B. Facchini ha mostrato alcuni dei recenti risultati ottenuti nell’ambito di progetti e collaborazioni con l’industria per quanto riguarda i combustori aeronautici e le turbine a gas heavy duty. Le attività vedono l’uso di metodologie di tipo sperimentale, grazie soprattutto allo sviluppo del nuovo laboratorio THT-Lab per test ad alta temperatura e pressione, e di tipo numerico, con particolare riferimento all’analisi Scale Resolving del campo aero-termico, dei fenomeni termoacusitici e dell’atomizzazione dei combustibili liquidi.
    • RE-CORD. Il consorzio RE CORD ha mostrato alcuni risultati relativi a progetti pilota mirati all’impiego di bio-combustibili in campo aeronautico, ma anche l’uso di tali fonti alternative in micro-turbine nel caso di valori elevati di viscosità
  • Politecnico di Bari
    • Si segnala l’intervento del Prof. Camporeale che ha illustrato i recenti studi svolti nell’ambito del suo gruppo di ricerca, ed in collaborazione con centri di ricerca stranieri, relativi alla modellazione dei fenomeni termoacusitici che interessano i combustori di turbina a gas operanti con fiamme magre premiscelate. Il Prof. Torresi ha invece descritto le attività di simulazione numerica e sperimentazione volte allo sviluppo di bruciatori industriali innovativi (mild combustion e polverino di carbone)
  • Università del Salento
    • La Prof. De Giorgi ha illustrato le attività di tipo principalmente sperimentale svolte presso il Green Engine Lab di UNILE mirate allo sviluppo di tecniche di controllo attivo del processo di combustione mediante l’uso di plasma nano-pulsato che può consentire di operare in modo stabile fiamme ultra-lean.
  • Università di Napoli Federico II
    • Il Prof. Tuccillo ha presentato un resoconto delle attività svolte, in collaborazione con l’Istituto Motori del CNR, sull’analisi del processo di combustione in microturbine. Mirate all’impiego ottimale di syngas ed idrogeno.
  • Università di Ferrara
    • Il Prof. Pinelli ha illustrato una sintesi dei risultati ottenuti nell’ambito di un progetto PRIN, volto a verificare le prestazioni del processo di combustione in microturbine alimentate con combustibili di origine vegetale
  • Università di Perugia
    • Il Prof. Fantozzi ha infine presentato alcuni risultati preliminari di una ricerca di Dottorato in collaborazione con l’industria, volta a ottimizzare l’utilizzo di bio-fuel nelle turbine a gas, non solo per quanto riguarda l’efficienza del processo di combustione ma anche per la life cycle analysis dei componenti coinvolti

Conclusioni

La giornata di studio nel suo complesso è risultata interessante e ben articolata in termini di rapporto fra contributi industriali ed accademici.
Positiva è stata l’opportunità per i gruppi di ricerca presenti di aver quadro aggiornato delle principali esigenze e prospettive a livello industriale e di mercato energetico. D’altra parte i gruppi di ricerca presenti hanno avuto la possibilità di mostrare le proprie capacità di ricerca sia teorica che sperimentale.
Nel complesso emerge un quadro di questo specifico ambito piuttosto contrastato che vede, da una parte esigenze di ricerca e sviluppo che provengono dall’industria assai interessanti ma altrettanto complesse in termini di implementazione, dall’altra un mondo della ricerca, accademico e non, che mostra specifiche competenze. anche di rilievo, ma che possono essere messe a frutto solo in un contesto di più convinta e sinergica collaborazione.

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