Motore a getto

La propulsione aerea:

Il motore a Getto

Breve sommario

 Alcune nozioni sulla propulsione aerea (pag, 2-3)

 La storia del motore a getto (pag. 3-6)

 Cenni sulle equazioni fondamentali della fisica

aerea (pag. 7)

 Il turbogetto (pag.8)

 Componenti principali e seguente analisi (pag. 9-17)

 Fonti (pag. 18)

Motore a getto

Schema di un Turbogetto

Il motore a getto o jet engine 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, gli inglesi, amanti della semplicità, lo chiamano air breathing engine, letteralmente

motore che respira aria), si distingue dagli altri motori a reazione (nel dettaglio: endoreattore o motore

a razzo) 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 un verso che per la terza legge della dinamica o

seconda legge di Newton produce una spinta nel verso opposto.

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 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. 2

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 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. Storia

Fin dall'inizio della storia dell'aeroplano, il motore alternativo a pistoni, nelle sue differenti forme

(motore stellare, motore in linea, a V) è stato l'unico tipo di motore disponibile per il progettista

aeronautico. Ciò era comprensibile finché basse performance potevano essere considerate accettabili,

se non inevitabili. Tuttavia, all'incirca verso la fine degli anni trenta si cominciò a comprendere che,

concettualmente, il motore alternativo poneva esso stesso delle limitazioni alle prestazioni che era

possibile raggiungere. Tale limite era essenzialmente legato all'efficienza del propulsore (l'elica), che

raggiungeva valori di picco con l'approssimarsi della velocità radiale delle pale a valori supersonici.

Ovviamente per superare tale barriera tecnologica risultava necessario un cambiamento radicale del

motore a pistoni oppure l'introduzione di una tecnologia completamente nuova. Il motore a getto

rappresentò in quel periodo appunto quella "nuova tecnologia" che permise all'ingegneria aeronautica

di fare un balzo in avanti forse paragonabile a quello dei fratelli Wright.

I motori a getto possono essere “datati” già dal I secolo a.C., quando

Erone d’Alessandria progettò l’eolipila (figura). Questo marchingegno

utilizzava la forza a vapore diretto attraverso due ugelli inducendo così la

sfera a girare rapidamente sul suo asse. Da quello che sappiamo, fu poco

usata per rimpiazzare l’energia meccanica, e le potenzialità pratiche di

applicazione dell’invenzione di Erone non furono riconosciute. Non era

nient’altro che una curiosità per l’epoca.

Lo sviluppo della propulsione a getto decollò letteralmente e

figurativamente con l’invenzione del razzo (rocket) da parte di un cinese

nell’XI secolo. La potenza del razzo fu però inizialmente sfruttata in

maniera modesta, all’inizio per semplici fuochi d’artificio,

successivamente per utilizzi militari. E così si stallò per centinaia di anni.

L’eolipila di Erone

Il problema era che il razzo era troppo poco efficiente per poter essere applicato su aviomezzi. Infatti,

nel 1930, il motore a pistoni era l’unico tipo di motore utilizzabile per far volare un aereo. Questo però

ostacolava di gran lunga l’evoluzione di modelli più efficaci in termini di potenza massima, anche

perché gli aerei non avevano richieste elevate. Ma proprio a questo punto gli ingegnieri cominciarono

a capire che il motore a pistoni si autolimitava per utilizzi del genere. 3

I primi tentativi di attrezzare un aeroplano con un motore a getto si basarono essenzialmente su delle

concezioni di motore "ibrido", in cui una sorgente meccanica esterna (tipicamente un motore

alternativo) muoveva il compressore e, a valle di tale compressione, avveniva la miscelazione con il

combustibile, la combustione e quindi l'espansione nell'ugello. Un prototipo "volante" con questa

concezione fu l'aereo italiano Campini-Caproni C.C.2 progettato dall'ingegnere Secondo Campini sul

finire degli anni '30 e che fece il suo primo volo il 27 agosto del 1940. Questo tipo di motore (ideato

già da Henri Coandă nel 1910) viene generalmente detto, secondo la nomenclatura scelta dallo stesso

Campini, termogetto o, più propriamente motoreattore. Il termogetto comunque, dopo le prime

applicazioni pionieristiche, non ebbe successo a causa dell'elevata complessità costruttiva e delle

prestazioni non elevate (era addirittura più lento dei “vecchi” motori a pistoni!).

La chiave di volta nell'utilizzo del motore a getto fu in effetti l'utilizzo della turbina a gas all'interno

del motore stesso, usata per produrre l'energia necessaria a muovere il compressore. L'idea di un

motore a turbina c’era già, e la sua paternità deve essere attribuita all'inglese John Barber nel 1791.

La prima turbina a gas di questo tipo fu costruita nel 1903 dall'ingegnere norvegese Aegidius Elling.

Diversi problemi, dal punto di vista tecnologico, economico e, in particolare modo, di sicurezza e di

resistenza dei materiali, non permisero tuttavia, per lungo tempo, di avviare una produzione non

prototipale di tali motori.

Il 16 gennaio del 1930, in Gran Bretagna, Frank Whittle ottene un primo brevetto per un motore a

getto per aeroplano. Nel 1935 Hans von Ohain, in Germania, cominciò a lavorare ad un progetto

simile, molto probabilmente all'oscuro dei lavori quasi contemporanei di Whittle.

Ohain contattò Ernst Heinkel, uno dei

maggiori industriali aeronautici dell'epoca,

che immediatamente vide le prospettive del

progetto. Heinkel aveva recentemente

acquistato la fabbrica di motori Hirth e Ohain,

e il suo capomeccanico Max Hahn, furono

messi a capo di una nuova divisione della

Hirth. Il loro primo motore Hs1 era in

funzione nel settembre 1937. A differenza del

progetto di Whittle, Ohain utilizzò l'idrogeno,

al quale attribuì i successi iniziali, come

carburante

Rispettivamente, Ernst Heinkel e Hans von Ohain I progetti successivi culminarono nel motore

Hs3 che forniva 498 kgf (5 kN - 1,100 lb) di

spinta. Alimentato a benzina venne portato in

volo sull'He 178 (nell’immagine), un velivolo

molto semplice e compatto. Il primo volo

venne effettuato partendo dall'aeroporto di

Marienehe il 27 agosto del 1939 con ai

comandi il pilota Erich Warsitz, un tempo

brevissimo per lo sviluppo. Fu questo

velivolo il primo aereo jet del mondo. 4

In Inghilterra Whittle si scontrava con il problema di reperire fondi per la ricerca mentre il Ministero

dell'Aviazione, alle prese con problemi più pressanti, ignorava il suo lavoro. Usando fondi privati

Whittle riuscì a far funzionare un motore sperimentale nel 1937, ma questo era molto grande e non

poteva essere utilizzato su di un velivolo. Inoltre furono riscontrati problemi anche per quanto

rigurdava il carburante: infatti la benzina, accumulatasi in granuli nel motore, fece sì che questo

continuasse a funzionare anche a serbatoio vuoto. Per il 1939 il lavoro era avanzato e il motore

cominciò ad apparire utilizzabile. In questo momento la Whittle Jets Ltd. cominciò a ricevere i fondi

dal Ministero. Nel 1941 era stata realizata una versione volante del motore che venne chiamata W.1. Il

W.1 forniva 453 kg (1,000 lb - 4kN) di spinta e venne montato su un Gloster E28/39 che volò nel

maggio 1941. Il Gloster E28/39 su cui era montato il W.1 di Whittle

Uno dei problemi di entrambi questi due progetti iniziali, che vennero denominati motori a

compressore centrifugo, era dato dal compressore che "lavorava" spingendo (accelerando) il flusso

dell'aria verso la parte periferica del motore. Il vantaggio era dato dalla migliore comprensione del

progetto, che si rifaceva a quanto conosciuto con le turbine dei turbocompressori, ma che aveva come

svantaggio di portare alla realizzazione di motori, a causa della velocità di rotazione che potevano

raggiungere i motori dell'epoca, di grande sezione. Lo sviluppo nella tecnologia dei cuscinetti permise

di ottenere velocità di rotazione maggiori e

quindi motori di dimensioni minori. Un altro

vantaggio di questa configurazione era dato

dalla maggiore resistenza del motore nel

caso si verificassero ingestioni di oggetti

estranei (FOD - Foreign Object Damage in

termini aeronautici). Inoltre, sebbene la

sezione del motore fosse rilevante, la sua

lunghezza era molto ridotta, vantaggio da

non sottovalutare. Gli svantaggi erano

costituiti, oltre alla sezione, dalla necessità di

convogliare l'aria compressa verso la parte

posteriore attraverso la camera di

combustione, la turbina e l'ugello di scarico.

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Compressore centrifugo

Anselm Franz ingegnere della Jumo (Junkers Motoren), la divisione della Junkers che si occupava dei

motori risolse questi problemi introducendo i motori con compressore assiale. In pratica questa

configurazione è l'opposto di una turbina. L'aria che entra nel motore è spinta verso la parte posteriore

da una serie di complessi di ventole (condotti convergenti) e urta una serie di alette fisse (dotti

divergenti) chiamate statori. Il processo non è così potente come nel caso del compressore centrifugo

per cui si rende necessario disporre in serie le ventole al fine di avere il rapporto di compressione

richiesto. I motori assiali sono più complessi dei motori centrifughi ma hanno un diametro molto

ridotto. Lo Jumo 004 (figura a sx) rappresentò il primo motore assiale ad entrare in servizio operativo

essendo montato, in coppia, sul caccia Messerschmitt Me 262 (figura a dx), utilizzato dai tedeschi, in

numeri ridotti, nella fase finale della seconda guerra mondiale. Dopo il conflitto il caccia e il suo