Via via che l'espansione procede in una turbina a vapore, pressione e temperatura calano; oltre un certo punto il vapore attraversa la linea di saturazione e inizia a condensare. Gli ultimi stadi lavorano quindi in due fasi.
Due perdite distinte
Perdita termodinamica. La condensazione non avviene in equilibrio; il vapore prima si sottoraffredda e poi condensa attraverso una nucleazione rapida. Quel processo irreversibile genera entropia e costa rendimento.
Perdita meccanica. Le gocce che si formano restano indietro rispetto al vapore; scambiano quantità di moto quando colpiscono le pale e producono una perdita aggiuntiva.
Erosione
Il problema più concreto è questo: le gocce si raccolgono sulle pale statoriche e formano un film, il film si rompe al bordo in gocce grossolane, e quelle gocce colpiscono le pale rotoriche ad alta velocità relativa. Il risultato è una progressiva perdita di materiale sul bordo d'attacco della pala.
Le contromisure — fessure di drenaggio dell'umidità, riscaldamento dello statore, rivestimenti resistenti, maggiore distanza interstadio — sono tutte decisioni geometriche valutabili con l'analisi.
Modellazione
Condensazione di non equilibrio. Un modello che assume il cambiamento di fase istantaneo alla linea di saturazione non vede né la regione di sottoraffreddamento né la nucleazione; la previsione di rendimento esce ottimistica.
Due popolazioni dimensionali. Le piccole gocce nate per nucleazione e le gocce grossolane staccate dallo statore sono di ordini diversi e si comportano in modo diverso. Lavorare con un unico diametro medio rende priva di senso la previsione dell'erosione. Vedi la nota sul flusso multifase.
Tracciamento delle gocce. Le traiettorie delle gocce grossolane si seguono come fase discreta; il coefficiente di resistenza va calcolato in funzione del numero di Reynolds [1].
Interazione transitoria. L'impatto sulle pale fa parte dell'interazione statore-rotore, e una media stazionaria lo cancella. Vedi la nota sulle macchine rotanti.
Le previsioni di erosione sono deboli in termini assoluti; servono l'uso comparativo e la taratura su dati di esercizio misurati.
Riferimenti
- Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806
- International Towing Tank Conference. ITTC Recommended Procedures and Guidelines 7.5-03-02-03: Practical Guidelines for Ship CFD Applications. ITTC.