La Rolls-Royce WR-21 è un motore marino a turbina a gas
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La Rolls-Royce WR-21 è un motore marino a turbina a gas, progettato con l’obiettivo di alimentare gli ultimi D.D.G. di superficie della Royal Navy e delle marine militari alleate.
Storia
Sviluppata utilizzando finanziamenti governativi da parte del Regno Unito, Francia e Stati Uniti, la turbina a gas WR-21 è stata progettata e prodotta da un consorzio internazionale guidato dalla Northrop Grumman come primo contraente. La turbina stessa è stata progettata principalmente dalla Rolls-Royce con un significativo contributo di ingegneria marina e impianto di prova da parte della DCN, con Northrop Grumman responsabile dell’intercooler, del recuperatore e dell’integrazione del sistema.
Lo sviluppo della WR-21 si basa fortemente sulla tecnologia delle famiglie di turbine a gas Rolls-Royce RB211 e Trent.
Il progetto originale e lo sviluppo della WR-21 sono stati effettuati dalla Westinghouse Electric Corporation (in seguito Northrop Grumman Marine Systems) nell’ambito di un contratto della Marina degli Stati Uniti stipulato nel dicembre 1991. Successivamente la Royal Navy e la Marina francese si sono interessate al WR-21, portando al coinvolgimento di Rolls-Royce e DCN.
La WR-21 è il sistema di propulsione dei cacciatorpediniere Tipo 45 della Royal Navy.
Progettazione
La WR-21 è la prima turbina a gas di derivazione aeronautica a incorporare l’intercooler del compressore del gas e le tecnologie del sistema di recupero del calore di scarico che consentono un basso consumo specifico di carburante in tutta la gamma di funzionamento del motore. Offre una riduzione del consumo di carburante del 30% lungo il tipico profilo operativo di una unità militare.
L’ intercooler raffredda l’aria che entra nel compressore ad alta pressione, riducendo la quantità di energia necessaria per comprimere l’aria.
Il recuperatore preriscalda l’aria comburente recuperando il calore disperso dallo scarico, migliorando l’ efficienza del ciclo e riducendo conseguentemente il consumo di carburante.
TURBINA MARINA A CICLO AVANZATO
La Rolls-Royce WR-21: l’unica turbina a gas marina a ciclo avanzato attualmente sul mercato con sistema di recupero intercooler (ICR) applicato alla turbina a gas.
Autonomia operativa: si registra una riduzione del consumo di carburante fino al 30% rispetto alle turbine a ciclo semplice.
Con una potenza nominale di 25.000 kW, la WR-21 si basa sui motori RollsRoyce aero RB211 e Trent di successo, con modifiche per marinizzare i componenti e integrare efficacemente gli scambiatori di calore e la geometria variabile. Le prime installazioni marittime (con due set) sono entrate in servizio nel 2007 nei nuovi cacciatorpediniere Type 45 D della Royal Navy, ma sono anche prese di mira le opportunità di propulsione commerciale, in particolare per le navi da crociera. Le caratteristiche di consumo di carburante, circa 205 g/kWh dalla massima potenza fino a circa il 30% di potenza, consentono al WR-21 di svolgere il ruolo sia di motore da crociera che di motore boost.
Rispetto alle turbine a ciclo semplice, i vantaggi citati per il WR-21 includono un miglioramento dell’efficienza del carburante nell’intero range operativo (con un miglioramento radicale a bassa potenza), una manutenzione più semplice grazie a una maggiore modularizzazione e la possibilità di retrofit a bassissime emissioni sistemi di riduzione. Il pacchetto del sistema di propulsione recuperato intercooler (ICR) è stato progettato per occupare lo stesso ingombro della centrale elettrica esistente.
Combustore
Un significativo risparmio di carburante rispetto alle turbine a ciclo semplice si ottiene utilizzando scambiatori di calore per migliorare l’efficienza del ciclo a carico parziale. Il solo recupero migliora l’efficienza termica dei cicli a basso rapporto di pressione in cui la temperatura di scarico della turbina è significativamente superiore a quella dell’aria in uscita dal compressore. Il calore viene trasferito all’aria compressa prima che entri nel sistema di combustione, riducendo la quantità di combustibile necessaria per raggiungere la temperatura di ingresso della turbina a ciclo.
Il recuperatore preriscalda così l’aria comburente recuperando l’energia di scarto dallo scarico, migliorando l’efficienza del ciclo e riducendo il consumo di carburante. La bassa efficienza energetica è ulteriormente migliorata dagli ugelli ad area variabile della turbina di potenza; questi mantengono una temperatura di ingresso della turbina di potenza costante, che a sua volta mantiene le condizioni di ingresso lato gas del recuperatore e migliora l’efficacia del recuperatore quando la potenza si riduce.
L’intercooler raffredda l’aria che entra nel compressore ad alta pressione, riducendo il lavoro necessario per comprimere l’aria; l’intercooler riduce inoltre la temperatura di mandata del compressore HP, aumentando l’efficacia del recuperatore.
L’aria entra nei compressori tramite una presa radiale composita progettata per mantenere una velocità circonferenziale uniforme all’ingresso del generatore di gas. Il compressore IP (così chiamato perché riflette la comunanza con il motore aeronautico turbofan a tre bobine genitore) include sei stadi di compressione; gli stadi da due a sei sono in comune con il motore RB211, mentre il primo stadio è modificato per adattarsi ai maggiori requisiti di flusso del ciclo ICR.
L’intercapedine tra i compressori trasmette il carico strutturale dal motore tramite due gambe di supporto alla sottobase; ospita anche i cinque segmenti intercooler in un involucro esterno e il cambio interno all’interno di un involucro interno. Entrambi gli involucri si combinano per formare il percorso del flusso d’aria tra gli stadi di compressione. Incorporando un intercooler tra gli stadi di compressione su un ciclo a doppia bobina aumenta la potenza specifica del motore. La quantità di lavoro necessaria per azionare il compressore è ridotta, aumentando così la potenza netta disponibile. Le valvole di bypass sull’intercooler sono modulate in base alla pressione e all’umidità relativa dell’aria in modo da evitare la formazione di condensa.
L’efficienza termica del ciclo è approssimativamente uguale a quella di un motore a ciclo semplice, poiché è necessario carburante aggiuntivo per compensare il calo della temperatura di uscita del compressore. La combinazione di un intercooler con un recuperatore, tuttavia, è interessante per i motori con rapporto di pressione più elevato, che porta a elevate potenze specifiche e una buona efficienza termica.
Il compressore HP ha anche sei stadi di compressione ed è aerodinamicamente identico alla sua origine aerodinamica. La compressione è suddivisa 30:70 tra i compressori IP e HP ed entrambi gli stadi incorporano fori boroscopici aggiuntivi per consentire una maggiore flessibilità per l’ispezione.
Il combustore Marine Spey SM1C è stato adottato come base per il design del combustore WR-21 come sistema collaudato in uso in tutto il mondo. Sebbene sia altrimenti convenzionale nella sua costruzione, il combustore presenta un metodo di iniezione del carburante Reflex Airspray Burner sviluppato specificamente per le versioni marine dello Spey. Ciò consente di ottenere una miscelazione controllata di combustibile e aria, consentendo di mantenere un elevato rapporto aria-combustibile (AFR) in uscita dal bruciatore con un’adeguata stabilità della fiamma. Sulla base dell’esperienza precedente, l’AFR elevato (magro) è stato considerato un fattore importante per ridurre il fumo visibile durante la combustione di carburante diesel.
La conservazione delle comprovate lunghezze delle bobine aero RB211 HP e IP, che sono caratterizzate da strutture corte e rigide ad alta integrità, era un obiettivo di progettazione principale. L’esigenza di rimuovere l’aria di mandata del compressore e di restituire l’aria recuperata entro il vincolo di lunghezza ha imposto la sostituzione del combustore anulare RB211 con un sistema turbo-anulare radialmente orientato.
I design dei collettori sono stati sottoposti ad analisi e test approfonditi per confermare l’integrità strutturale, le distribuzioni aerodinamiche del flusso, la facilità di fabbricazione e la manutenibilità. L’involucro interno porta il carico strutturale dall’involucro esterno del compressore HP all’involucro della turbina; il componente è progettato in modo tale da fornire il minimo di blocco per l’aria di uscita del compressore HP che entra nel collettore di combustione e trasferisce anche l’aria dello stadio 4 del compressore HP alla turbina di potenza per la tenuta e il raffreddamento. La rimozione in loco del combustore e del bruciatore è un elemento chiave della strategia di manutenibilità. Il design è rivolto al monitoraggio della facilità di vita e alla tempestiva riparazione o sostituzione dell’hardware (senza rimozione del motore) in caso di guasto prematuro.
Le alette di guida dell’ugello HP e i profili aerodinamici delle pale del rotore mantengono la comunanza con il motore capostipite RB211-524, con lievi modifiche per fornire un percorso del gas regolare dagli ugelli di scarico radicalmente spazzati. Le guarnizioni del disco e le disposizioni dei cuscinetti sono sostanzialmente invariate rispetto alle loro origini aerodinamiche. L’aletta di guida dell’ugello IP è inclinata rispetto all’aletta aero RB211-535 e incorpora l’aggiunta di una borchia fusa per facilitare un foro di ispezione del boroscopio. La lama non è raffreddata e prodotta da un singolo nimonic per prolungare la durata dello scorrimento.
Coerentemente con il pedigree del generatore a gas, anche la turbina di potenza proviene da una casa madre aeronautica, la Trent. Gli stadi da due a cinque incorporano la geometria della pala ortogonale tridimensionale per massimizzare l’efficienza della turbina, ma la differenza principale è l’incorporazione degli ugelli ad area variabile (VAN) che controllano l’area del flusso. I VAN sono azionati idraulicamente tramite un singolo anello dentato progettato per mantenere le aree della gola da VAN a VAN entro una tolleranza specificata. Il VAN è completamente aperto a piena potenza e chiude a parziale potenza; questo ha l’effetto di mantenere i vantaggi di efficienza su tutta la gamma di potenza mantenendo l’elevata temperatura di scarico a potenze parziali. Il recuperatore può quindi essere sfruttato appieno per dare la caratteristica curva di consumo di carburante piatta per il WR-21.
Specifiche:
- Potenza nominale: 25,2 MW
- Consumo specifico di carburante : circa 190 g/kWh (53 g/MJ)
- Peso a umido del modulo principale: 45.974 kg
- Generatore di gas a doppia bobina e turbina di potenza a rotazione libera
- Bobina a bassa pressione (LP) con compressore a sei stadi e turbina a uno stadio a 6.200 giri/min (103 Hz)
- Bobina ad alta pressione (HP) con compressore a sei stadi e turbina a uno stadio a 8.100 giri/min (135 Hz)
- Turbina a potenza libera a cinque stadi 3.600 giri/min (60 Hz)
- Intercooler tra compressori LP e HP
- Nove combustori radiali
- Recuperatore di calore di scarico all’aria di ingresso del combustore.
Problemi operativi
Nel 2009 è stato scoperto che l’intercooler Northrop Grumman montato nel WR-21, sui cacciatorpediniere type 45, aveva un grave difetto di progettazione, non funzionando a temperature dell’acqua oltre i 30°C. L’intercooler del primo cacciatorpediniere Type 45, l’HMS Daring, si arrestò nel bel mezzo dell’Atlantico nel 2010 e l’unità ha dovuto essere riparata in Canada, con ulteriori riparazioni per il guasto dell’intercooler nel 2012 in Bahrain. Il pionieristico sistema di propulsione elettrica integrata (IEP) del Tipo 45 utilizza due WR-21 e due generatori diesel Wartsila da 2 MW per l’alimentazione dei sistemi di bordo, compresi i sistemi di armi oltre alla propulsione e altre funzioni, lasciando le navi vulnerabili a “guasto elettrico totale”. “. Il Ministero della Difesa ha dichiarato: “Il Tipo 45 è stato progettato per operazioni in tutto il mondo, dal sub-artico agli ambienti tropicali estremi, e continua a funzionare efficacemente nel Golfo e nell’Atlantico meridionale tutto l’anno”.
I motori WR-21 dovranno essere integrati da uno o due generatori diesel aggiuntivi, montati tagliando lo scafo in bacino di carenaggio.
L’ex primo ammiraglio del Sea Lord Philip Jones ha chiarito che “le turbine a gas WR-21 sono state progettate in condizioni climatiche estremamente calde per quello che chiamiamo “degradare con grazia” nelle loro prestazioni, fino ad arrivare al punto in cui va oltre la temperatura alla quale potrebbero operare… abbiamo scoperto che la resilienza dei generatori diesel e del WR-21 nella nave al momento non si stava degradando gradualmente; si stava degradando in modo catastrofico, quindi è quello che abbiamo dovuto affrontare.” L’ammiraglio ha ancora sostenuto che, nonostante i problemi, la Royal Navy è stata in grado di schierare i cacciatorpediniere tipo 45 in cicli di nove mesi nella regione del Golfo dove le temperature sono alte con pochi difetti. La Royal Navy è stata anche in grado di mantenere almeno due Type 45 pronti all’uso nonostante tutto.
(Fonti delle notizie: Web, Google, beyonddiscovery, Wikipedia, You Tube)
