Propulsione aerea/Capitolo XVI°: differenze tra le versioni
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==Il problema dei materiali==
La turbina a vapore circa cent'anni anni si era già affermata sia per gli impianti fissi sia per gli impianti navali.
Un impianto per turbina a vapore, necessitando di focolai, camino, caldaie, condensatori, serbatoi per l'acqua, ecc., risulta costoso ed ingombrante ; un impianto per turbina a gas della stessa potenza, risulta molto meno ingombrante e costoso; malgrado questo, la turbina a gas è cominciata ad affermarsi tardivamente su scala industriale.
Si è visto che il rendimento ideale della turbina a gas semplice, aperta, è dato dalla<br />▼
::::::<math>\ \eta_t=1-\frac{1}{(\frac{p_1}{p_0})^\frac{k-1}{k}}</math><br />▼
riportata sul diagramma di fig.14; per esempio per rapporti di compressione '''0,6'''si ha '''η<sub>t</sub>=0,4<br />▼
Si ricordi inoltre che il rendimento ideale non dipende dalla temperatura di combustione; questo er un altro motivo incoraggiante perché faceva ritenere sufficiente perle palette gli acciai inossidabili dell'epoca.<br />▼
Supponendo perduto per imperfezioni varie della macchina anche il '''50%''' dell'energia, si avrebbe avuto il rendimento totale '''0,2''' (ancora accettabile 100 anni fa) per rapporto di compressione '''06'''.<br />▼
Le migliori realizzazioni dell'epoca diedero invece rendimenti globali di qualche centesimo; la delusione fu grande , ma si sarebbe potuto evitare con una analisi più rigorosa dei fatti fisici che realmente accadono.<br />▼
▲riportata sul diagramma di fig.14; per esempio per rapporti di compressione '''0,6'''si ha '''η<sub>t</sub>=0,4
Si è visto infatti che il rendimento termodinamico effettivo '''η<sub>t</sub><sup>*</sup>''' della turbina a gas dipende oltre che dal rapporto di compressione dai rendimenti del compressore '''η<sub>c</sub>''', della turbina '''η<sub>tu</sub>''' e dal rapporto<br />▼
::::::<math>\ \frac{T_2}{T_1}=\theta</math><br />▼
▲Si ricordi inoltre che il rendimento ideale non dipende dalla temperatura di combustione; questo er un altro motivo incoraggiante perché faceva ritenere sufficiente perle palette gli acciai inossidabili dell'epoca.
cioè dalla temperature di combustione '''T<sub>2</sub>''' secondo la formula<br />▼
::::::<math>\ \eta_t^*=\eta_t\frac{\eta_c\eta_{tu}\theta(1-\eta_t)-1}{\eta_c(\theta-1)(1-\eta_t)-\eta_t}</math><br />▼
▲Supponendo perduto per imperfezioni varie della macchina anche il '''50%''' dell'energia, si avrebbe avuto il rendimento totale '''0,2''' (ancora accettabile 100 anni fa) per rapporto di compressione '''06'''.
La spiegazione dell'insuccesso sta qui ed è mostrata chiaramente dalla curva in basso del grafico '''37'''.<br />▼
I rendimenti dei migliori compressori di allora '''(η<sub>c</sub>≅0,7)''' associati ai rendimenti delle migliori turbine '''(η<sub>tu</sub>≅0,85)''' richiedevano temperature massime incompatibili con quelle limiti dei materiali dell'epoca '''(400÷500°C)'''.<br />▼
▲Le migliori realizzazioni dell'epoca diedero invece rendimenti globali di qualche centesimo; la delusione fu grande , ma si sarebbe potuto evitare con una analisi più rigorosa dei fatti fisici che realmente accadono.
▲Si è visto infatti che il rendimento termodinamico effettivo '''η<sub>t</sub><sup>*</sup>''' della turbina a gas dipende oltre che dal rapporto di compressione dai rendimenti del compressore '''η<sub>c</sub>''', della turbina '''η<sub>tu</sub>''' e dal rapporto
▲::::::<math>\ \eta_t^*=\eta_t\frac{\eta_c\eta_{tu}\theta(1-\eta_t)-1}{\eta_c(\theta-1)(1-\eta_t)-\eta_t}</math
▲La spiegazione dell'insuccesso sta qui ed è mostrata chiaramente dalla curva in basso del grafico '''37'''.
▲I rendimenti dei migliori compressori di allora '''(η<sub>c</sub>≅0,7)''' associati ai rendimenti delle migliori turbine '''(η<sub>tu</sub>≅0,85)''' richiedevano temperature massime incompatibili con quelle limiti dei materiali dell'epoca '''(400÷500°C)'''.
L'avvento della turbina a gas era quindi subordinato alla realizzazione di materiali
resistenti ad alta temperatura sia dal punto di vista meccanico che chimico-fisico.
Nasceva frattanto l'aviazione che doveva dare un grande impulso sia allo studio dell'aeronautica che dei materiali; era possibile così verso il '''1935''' riprendere in considerazione il problema delle turbine a gas ed avviarlo decisamente a soluzione; il migliorato disegno degli organi fondamentali rotanti ed i nuovi materiali permettevano già nel '''1940''' la realizzazione di complessi con rendimento soddisfacente; la turbina a gas di scarico costituiva un buon precedente.
Si è detto che le temperature massime attuali sono almeno sui '''1000°C'''; il materiale delle camere di combustione , delle palette dei distributori e delle turbine avrà temperature dello stesso ordine di grandezza e sarà, in funzione, al colore rosso scuro con tendenza al rosso ciliegia; gravose in particolar modo sono le condizioni di lavoro delle palette e dei dischi delle turbine che sono fortemente cimentati dalle reazioni centrifughe dovute alle proprie stesse masse e dagli sforzi dovuti alle ineguali distribuzioni della temperatura.<br />▼
Per esempio: per velocità periferiche delle palette di '''400 m/sec''' e di diametro della girante sugli '''800 cm.''' un '''cm<sup>3</sup>''' del materiale , pesante '''7,8 gr.''' se acciaio, reagisce con la forza<br />▼
▲Si è detto che le temperature massime attuali sono almeno sui '''1000°C'''; il materiale delle camere di combustione , delle palette dei distributori e delle turbine avrà temperature dello stesso ordine di grandezza e sarà, in funzione, al colore rosso scuro con tendenza al rosso ciliegia; gravose in particolar modo sono le condizioni di lavoro delle palette e dei dischi delle turbine che sono fortemente cimentati dalle reazioni centrifughe dovute alle proprie stesse masse e dagli sforzi dovuti alle ineguali distribuzioni della temperatura.
::::::<math>\ m\frac{V^2}{g}=\frac{0.0078}{9.81}\frac{400^2}{0.4}=320Kg.</math><br />▼
Si intuisce quali sollecitazioni ne derivano per reazione centrifuga al materiale che per giunta si trova ad alta temperature e quindi un condizioni molto sfavorevoli dal punto della resistenza meccanica e della resistenza alle ossidazioni.<br />▼
▲Per esempio: per velocità periferiche delle palette di '''400 m/sec''' e di diametro della girante sugli '''800 cm.''' un '''cm<sup>3</sup>''' del materiale , pesante '''7,8 gr.''' se acciaio, reagisce con la forza
Quando si sollecita a trazione una sbarretta a temperature elevate si osserva in generale che le deformazioni crescono col tempo; se le sollecitazioni sono contenute entro certi limiti la deformazione cessa di crescere dopo un certo tempo e si stabilizza su un valore determinato; col crescere del carico sollecitante si arriva però a condizioni per le quali gli allungamenti crescono continuamente. Si giunge , dopo un certo tempo , alla rottura della barretta ; il tempo per arrivare alla rottura dipende dalla sollecitazione; sul grafico dimostrativo di gig.88, si ha l'andamento degli allungamenti in funzione del carico per sollecitazioni crescenti; tutte le provette sono state4 cimentate ad uguale temperatura.<br />▼
▲Si intuisce quali sollecitazioni ne derivano per reazione centrifuga al materiale che per giunta si trova ad alta temperature e quindi un condizioni molto sfavorevoli dal punto della resistenza meccanica e della resistenza alle ossidazioni.
▲Quando si sollecita a trazione una sbarretta a temperature elevate si osserva in generale che le deformazioni crescono col tempo; se le sollecitazioni sono contenute entro certi limiti la deformazione cessa di crescere dopo un certo tempo e si stabilizza su un valore determinato; col crescere del carico sollecitante si arriva però a condizioni per le quali gli allungamenti crescono continuamente. Si giunge , dopo un certo tempo , alla rottura della barretta ; il tempo per arrivare alla rottura dipende dalla sollecitazione; sul grafico dimostrativo di
Il carico limite per cui la deformazione che si verifica rimane praticamente costante col tempo, si chiama '''limite di scorrimento viscoso'''. Lo scorrimento viscoso o scorrimento plastico permanente è la deformazione permanente di un materiale sottoposto, ad alta temperatura, a sforzo costante; si manifesta al di sopra della temperatura di scorrimento, coincidente con la temperatura di cristallizzazione. Questo limite si abbassa rapidamente da certe temperature in poi;
per gli acciai comuni e speciali verso i '''400÷450°C''', per le leghe speciali a temperature più alte.
Il comportamento dei materiali sotto carico ad alta temperatura viene accertato mediante delicate esperienze di lunga durata.
Il problema dei materiali , dei trattamenti termici inerenti e delle loro lavorazioni è in realtà il problema fondamentale della costruzione effettiva delle turbine.<br />▼
I progressi dei materiali sono stati negli ultimi anni imponenti.<br />▼
▲Il problema dei materiali , dei trattamenti termici inerenti e delle loro lavorazioni è in realtà il problema fondamentale della costruzione effettiva delle turbine.
Per l'aviazione sono impiegate correntemente leghe che sotto carico conveniente resistono a '''800÷1000°C''' per diverse centinaia di ore. Gli elementi fondamentali costitutivi degli acciai legati di vario tipo sono '''ferro, carbonio, cromo, nichel, cobalto, molibdeno'''. A questi elementi base vengono aggiunti in varia misura altri elementi per aumentare la resistenza meccanica a caldo: '''tungsteno, vanadio, silicio, azoto, columbio''', ed altri metalli rari; per le leghe speciali il ferro sparisce o rimane come tracce.<br />▼
▲Per l'aviazione sono impiegate correntemente leghe che sotto carico conveniente resistono a '''800÷1000°C''' per diverse centinaia di ore. Gli elementi fondamentali costitutivi degli acciai legati di vario tipo sono '''ferro, carbonio, cromo, nichel, cobalto, molibdeno'''. A questi elementi base vengono aggiunti in varia misura altri elementi per aumentare la resistenza meccanica a caldo: '''tungsteno, vanadio, silicio, azoto, columbio''', ed altri metalli rari; per le leghe speciali il ferro sparisce o rimane come tracce.
{{Avanzamento|100%|9 febbraio 2014}}
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