Motori Aeronautici

ESAME DI STATO 2008

Tesina di Alessandro Selvaggi

I MOTORI AERONAUTICI

INTRODUZIONE

Un motore è una macchina capace di trasformare una sorgente di energia, che può essere in forma

chimica (in presenza di un combustibile), elettrica o termica, in una energia meccanica o lavoro

meccanico continui. Uno dei primi motori come viene inteso oggi fu la macchina a vapore, in cui

viene prodotto del vapore d'acqua surriscaldato in una caldaia che poi, espandendosi in un cilindro,

produce una spinta su un pistone. Tale moto, reso alternativo con altri accorgimenti meccanici, può

essere trasferito a una ruota o ad un volano attraverso un meccanismo biella-manovella. Sul finire

del XIX secolo, lo sviluppo del motore a combustione rese possibile il grande sviluppo dell'industria

automobilistica e, in seguito, la nascita dell'industria aeronautica quando abbiamo il primo volo a

motore della storia,fatto dai fratelli Wright con il loro “Flyer” decollato e tenuto in volo per 12 secondi

il giorno 17 dicembre 1903. Dopo la seconda guerra mondiale, l'impiego per il volo aeronautico

richiese lo sviluppo dei motori a getto,(come si è visto per il primo aeromobile militare a sfruttare la

propulsione a getto, il Messerschmitt me262 che sollevò molti consensi nella guerra), mentre la

nascita del volo spaziale permise il grande sviluppo dei motori a razzo che portarono il missile

Saturn V e i 3 astronauti della missione apollo 11 sul suolo lunare. Anche nei primi anni della prima

guerra mondiale fecero comparsa i primi motori rotativi aeronautici, che rappresentano un tipo di

motore a combustione interna nel quale il funzionamento consiste nella rotazione anziché

dell'albero-motore, dell'intero complesso di cilindri che ruota attorno allo stesso,per poi passare ai

motori a combustione interna a pistoni tuttora usati in aeronautica e in automobilismo, come i

motori in linea o i motori a V. Senza dimenticare i motori jet,che si utilizzano negli aeromobili di

linea dei nostri giorni.

I MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

Il motore a combustione interna (o motore endotermico) è un particolare motore termico nel quale, attraverso la combustione di una miscela

composta da un carburante (benzina, gasolio, metano, GPL, ecc...) e un comburente (aria) all'interno di una camera di combustione, si produce

calore trasformandolo poi in lavoro meccanico. Abbiamo vari tipi di motore come i motori volumetrici (dove il fluido motore agisce in maniera

intermittente, come nei motori a pistoni) e motori continui (dove il fluido motore agisce in maniera continua, come nei motori a getto). motori a

combustione interna si basano sul processo chimico Esotermico della combustione: la reazione di un carburante con un comburente, normalmente

aria. I carburanti più utilizzati oggi sono composti da idrocarburi e sono derivati dal petrolio. I più noti sono benzina, gasolio, metano e GPL.

Recentemente sono stati sviluppati prototipi che possono utilizzare anche idrogeno (sia gassoso che liquido). La maggior parte dei motori a

combustione interna progettati per funzionare a benzina possono bruciare anche metano o GPL senza modifiche a parte quelle necessarie per

l'impianto di alimentazione. I motori a combustione interna vengono classificati in base al sistema di accensione utilizzato per provocare la

combustione in motori ad accensione comandata o ad accensione spontanea. Nei motori ad accensione comandata di solito l'accensione viene

comandata attraverso una scintilla ad alta tensione che scocca nella miscela della miscela aria-combustibile all'interno del cilindro. La scintilla viene

prodotta attraverso una bobina alimentata da una batteria che può essere ricaricata durante il funzionamento attraverso un alternatore trascinato dal

motore. Inoltre per l'avvio del motore in condizioni di temperatura esterna e del motore stesso relativamente basse, si utilizza un sistema che serve a

garantire un avvio più facile, chiamato starter. Nei motori Diesel (detti anche motori ad accensione spontanea) il combustibile viene iniettato nell'aria

compressa nei cilindri del motore e la combustione si innesca a causa delle condizioni di pressione e di temperatura dell'aria stessa. L'energia dei

prodotti di combustione, i gas combusti, è superiore all'energia originale dell'aria e del carburante (che avevano una maggiore energia chimica) e si

manifesta attraverso un'elevata temperatura e pressione che vengono trasformate in lavoro meccanico dal motore. Nei motori alternativi, è la

pressione dei gas combusti a spingere i pistoni all'interno dei cilindri del motore. Recuperata l'energia, i gas combusti vengono eliminati (spesso

attraverso una valvola di scarico) talvolta dopo essere passati attraverso una turbina a gas che recupera una piccola quantità di energia, comunque

sufficiente a comprimere l'aria comburente. Al termine di questa fase il pistone torna nella posizione di punto morto superiore. Tutto il calore non

trasformato in lavoro deve essere eliminato dal motore attraverso un sistema di raffreddamento ad aria o a liquido. Una volta avviato il motore ha 6

fasi in cui riceve e produce energia ed esse sono: Aspirazione, Compressione, Combustione, Espansione, Raffreddamento e Scarico. Nella 1^fase il

cilindro si riempie con la miscela di aria-benzina e la miscela aspirata tramite la valvola di aspirazione percorre i condotti di aspirazione in seguito alla

depressione prodotta nel cilindro dallo spostamento dal PMS al PMI. Nella 2^fase il fluido viene compresso dal pistone che si muove dal PMI al PMS

diminuendo il volume e aumentando la pressione. Nella fase di combustione, mentre il fluido è compresso, viene mandato un impulso elettrico alla

candela che fa scoccare una scintilla che incendia la miscela, facendo tornare il pistone al PMI creando Lavoro Utile dove abbiamo la 4^fase del

motore alternativo che è l’unica fase in cui il motore ci fornisce un lavoro. Nelle ultime 2 fasi viene aperta la valvola di scarico per raffreddare il

cilindro e per espellere i gas ormai combusti. Ciclo Reale

del motore

Le Ciclo Ideale

Rhône del motore a

9C tipico

motore combustione

rotativo a

pistoni I MOTORI A GETTO

Il motore a getto (o motore jet) è un particolare tipo di motore a reazione

spesso usato come propulsore negli aeroplani. Anche detto esoreattore

(perché per funzionare ha bisogno di aria, fornita appunto dall'esterno e gli

inglesi, amanti della semplicità, lo chiamano air breathing engine,

letteralmente motore che respira aria), si distingue dagli altri motori a

reazione (i motori a razzo o endoreattori) per la caratteristica di utilizzare

l'aria esterna come comburente. Il principio di funzionamento di tutti i motori

jet è essenzialmente lo stesso: essi accelerano una massa (formata da aria

e prodotti della combustione) in una direzione che per la terza legge della

dinamica o seconda legge di Newton produce una spinta nella direzione

opposta. L'aria viene aspirata dal motore frontalmente ed entra

(eventualmente) in un compressore che la porta alla pressione voluta.

Successivamente entra nella camera di combustione dove si miscela con il

combustibile atomizzato e avviene dunque la combustione con incremento

di temperatura e pressione. La massa dei gas combusti entra quindi

generalmente in una turbina dove viene espansa (generando inoltre

l'energia necessaria al funzionamento del compressore). Infine, ad una

pressione maggiore di quella esterna, l'aria e i prodotti della combustione

completano l'espansione negli ugelli e vengono espulsi verso l'esterno

generando la spinta necessaria. Il campo di applicazioni di questi motori è

estremamente vasto, con particolare diffusione nel campo della

propulsione aeronautica, in diversi campi delle propulsione navale e nella

generazione di energia nelle centrali elettriche. In particolare, quando Un TurboFan della P&W in camera di prova

applicato ad aeroplani, il motore a getto risulta maggiormente efficiente per

alte velocità e quota di volo; per aerei più lenti o per tratte più corte

diventano più convenienti i motori di concezione "mista" (turboelica o

turboprop) in cui la turbina aziona anche un'elica che funge da organo

propulsore. Aerei ancora più piccoli utilizzano dei tipici motori a pistoni con

propulsione ad elica. È importante notare che il motore a getto riunisce in

sé il sistema motore che trasforma l'energia chimica del carburante in una

forma utile per la propulsione ed il sistema propulsivo costituito dal getto

che fuoriesce dall'ugello di scarico. Tali elementi sono separati nei sistemi

con motore alternativo o turboprop. Infatti in entrambi i casi il propulsore è

costituito da un'elica: nel primo caso mossa direttamente o tramite una

scatola ingranaggi dall'albero motore e nel secondo sempre da una scatola

ingranaggi che riduce i giri di un albero turbina. Le eliche hanno una

efficienza propulsiva migliore dei motori a getto perché accelerano grandi

masse d'aria a velocità relativamente basse ma il loro rendimento decresce

rapidamente quando le estremità delle pale divengono soniche o Spaccato di un motore a getto

supersoniche (la velocità della pala è data dalla somma vettoriale tra la

velocità del velivolo e la velocità tangenziale della pala; per cui

all'aumentare della velocità del velivolo le possibilità di impiego dell'elica si

riducono). Per aumentare l'efficienza dei motori a getto (detti anche turbojet

o turbogetti) sono stati progettati i turbofan.