Meccanica del volo - Turbopropulsori aeronautici

A loro volta gli esoreattori si suddividono in:

motori senza organi rotanti al loro interno, ossia lo Statoreattore e il Pulsoreattore;

– motori con organi rotanti al loro interno, nella famiglia dei Motoelica, ossia il Turboelica,

– Turbojet e Turbofan.

(NB. Per propulsori Motoelica non si intendono solo i turbopropulsori; essi raggruppano tutte le tipologie di

motore aeronautico a combustione interna che utilizzano organi in movimento al loro interno per generare

lavoro). 2.1 Il numero di Mach

Parlando delle velocità dei velivoli e dei diversi motori che utilizzano, bisogna chiarire di cosa si

parla quando compare il numero di Mach. Infatti i turbopropulsori raggiungono velocità diverse tra

loro, per le quali vengono scelti a discapito di altri. Quindi:

Il numero di Mach è definito come il rapporto tra la velocità di una corrente o di un

corpo e la velocità del suono riferita al mezzo che lo circonda.

In campo aeronautico, naturalmente, il mezzo che lo circonda preso in considerazione è l'aria. La

velocità del suono corrisponde a Mach 1, ovvero circa 330 m/s.

Nello specifico si parla di:

regime subsonico, a velocità inferiori a Mach 1 (tutti gli aerei di linea viaggiano a poco

– meno della velocità del suono, tranne il Concorde)

regime transonico, a velocità tra 0,8 e 1,3 Mach

– regime supersonico, velocità maggiori di Mach 1 (praticamente tutti gli aerei militari

– arrivano a circa Mach 2 e 3)

regime ipersonico, velocità maggiori di Mach 5.

–

Solo alcuni apparecchi sperimentali o i vettori spaziali hanno raggiunto velocità fino a Mach 10.

3. Statoreattore e Pulsoreattore

Al raggiungimento di velocità elevate, dell'ordine di Mach 2 e oltre, la pressione dinamica dell'aria

e la sua velocità d'ingresso nel motore rende superfluo l'uso del compressore e della turbina.

Si è studiata allora una variante della turbina a gas per questi casi, ossia in regime supersonico:

questa variante prende il nome di Statoreattore.

Nello statoreattore è assente qualunque organo rotante e l'aria viene prelevata dall'esterno e

immessa direttamente nella camera di combustione, da dove poi vengono espulsi i gas combusti

dopo la combustione stessa, creando una spinta. Simile allo statoreattore è il Pulsoreattore, che è

una sua variante con l'aggiunta di valvole lamellari che lasciano passare il flusso d'aria in una sola

direzione, bloccando i gas prodotti dalla combustione e forzandoli ad uscire posteriormente.

Entrambi i motori hanno candele ad arco voltaico che vengono usate solo per l'accensione, poiché

in seguito la combustione avviene per autoaccensione. Questi motori consentono il volo

supersonico ma necessitano di una velocità minima di innesco (sotto la quale sono inutili) per cui

sono spesso installati con un propulsore Turbojet posizionato anteriormente a tale scopo. Questa

condizione li rende scomodi e molto pesanti nell'insieme; sono quindi usati solo in applicazioni

sperimentali e su missili guidati. 4. Esoreattori: i Turbopropulsori

Come già detto i Motoelica sono la famiglia di esoreattori che comprende al suo interno degli

organi rotanti o, nel caso dei motori endotermici alternativi, con movimento rettilineo alternato. Per

i turbopropulsori, gli organi rotanti sono: il Compressore; la Turbina a Gas; l'Elica o il Fan.

Essi vengono utilizzati in campo militare e civile e la loro evoluzione non ha eguali.

Tra gli aerei commerciali operanti con le maggiori linee aeree, oltre alle diffusissime macchine con

motori Jet possiamo osservare modelli con propulsione ad elica, i cosiddetti Turboelica.

4.1 Turboelica

I Turboelica sono motori utilizzati per velocità fino a 600 km/h: il lavoro utile prodotto dalla turbina

viene ripartito tra il compressore e l'elica. La rimanente parte di energia viene sfruttata da parte

dell'ugello di scarico per ottenere una spinta, anche se minima.

Rispetto ai loro antenati a pistoni alternati, i turboelica presentano una semplicità di costruzione

molto maggiore (quindi minore possibilità di guasti), offrono ottime prestazioni a diverse quote di

volo; hanno però costi di produzione e acquisto elevati.

Dal punto di vista termodinamico utilizzano, come tutte le turbine a gas, il ciclo Bryton.

Dal punto di vista costruttivo e di funzionamento un turboelica non è molto diverso da un turbofan.

Una differenza sostanziale però è rappresentata dalla velocità di rotazione dell'elica e del fan:

mentre nel turbofan il fan, che è intubato, gira alla stessa velocità di rotazione della turbina che lo

aziona, nel turboelica si deve interporre un riduttore tra turbina e elica, poiché questa non può

funzionare in velocità transoniche o supersoniche (il suo rendimento calerebbe bruscamente) ed è

quindi limitata dal suo regime di rotazione.

Il riduttore è un componente delicato, dovendo trasmettere potenze elevate riducendole di molto.

- Ci sono due schemi costruttivi fondamentali usati nei turboelica: uno prevede che la turbina e il

compressore siano montati sullo stesso albero: questa configurazione, ormai in uso su pochi

propulsori, prende il nome di Presa Diretta.

Lo schema prevalentemente in uso è quello detto a Turbina Libera: qui la turbina che aziona il

compressore e quella che aziona l'elica sono svincolate. La prima aziona solo il compressore ed è

montata sul suo stesso albero; sullo stesso asse ma su un altro albero è montata la turbina che aziona

l'elica, attraverso il riduttore. Questa turbina viene anche chiamata Turbina di Potenza.

-Per quanto riguarda il compressore nei motori turboelica di bassa potenza viene utilizzato un

compressore centrifugo. Lo si sceglie perché è molto semplice, quindi economico da costruire e di

peso ridotto, e perché con un solo stadio raggiunge buoni rapporti di compressione. Per contro

presenta un elevata sezione frontale e, accoppiato in più di due stadi, il suo rendimento cala

bruscamente. Perciò sui turboelica di elevata potenza si usano compressori assiali.

Riassumendo il funzionamento del Turboelica, prendiamo in esame il motore Pratt & Whitney

della serie Canada PT6A. Questi sono i turboelica più apprezzati al mondo.

Questo motore è invertito rispetto al senso di marcia del velivolo, cioè l'elica non ha una funzione

traente ma spingente.

L'aria entra nel collettore di aspirazione, passando per una presa d'aria esterna, e passa per il

compressore (di tipo assiale). Dopodiché l'aria, compressa, segue i condotti fino alla camera di

combustione, dove avviene la reazione chimica; i gas vengono poi indirizzati verso la turbina di

potenza, che trasmette il moto all'albero dell'elica attraverso il riduttore. I gas escono dal motore

generando una, seppur minima, spinta. 4.2 Turbojet

I motori Turbojet vengono utilizzati per velocità comprese tra i 600 e i 1000 km/h, quindi

subsoniche. Il moto del mezzo è generato dal getto di gas combusti che espandono in turbina,

generando una spinta propulsiva. In questo tipo di motore la turbina serve solo a muovere il

compressore, perciò entrambi gli elementi devono essere meccanicamente bilanciati, ossia il lavoro

prodotto dalla turbina deve essere lo stesso di quello richiesto dal compressore.

Il compressore è assiale o centrifugo ed è possibile la presenza di un postcombustore; l'ugello di

scarico fornisce la spinta. L'aria viene convogliata nella presa d'aria ed inviata al compressore, che

la comprime innalzandone la temperatura. Dopo viene inviata in camera di combustione e

mescolata al combustibile. L'accensione avviene tramite candele ad arco voltaico, ma una volta

avviata la combustione continua spontanea. I gas, che si trovano ad un elevata pressione e

temperatura, vengono inviati nella turbina per effettuare l'espansione e cedere ad essa la sua energia:

tale espansione è solo parziale, visto che la turbina serve solo a muovere il compressore, e viene

completata nell'ugello di scarico (con eventuale postcombustione).

Il compressore più utilizzato nei motori turbojet è quello compressore assiale, suddiviso in bassa e

alta pressione, che permette alti rapporti di compressione. Il rotore è costituito da un albero

cilindrico o tronco-conico a cui sono applicate le palette, costruite in leghe leggere particolari ed in

titanio, come quelle dei primi e degli ultimi stadi che devono essere ancor più resistenti delle altre

perché le prime possono subire danni dovuti a corpi estranei e le ultime per le elevate temperature

di fine compressione.

La turbina a gas è di solito sviluppata in più stadi e raggiunge una velocità periferica all'estremità

delle palette dell'ordine di 400 m/s. Per questo motivo le palettature sono realizzate in materiali con

alta resistenza termica, in leghe di nichel e cobalto, e in alcuni casi sono protette da un rivestimento

di sottile materiale ceramico.

Per quanto riguarda invece la spinta (nel motore a getto la spinta equivale alla potenza del motore a

pistoni), essa diminuisce all'aumentare di quota, specie oltre gli 11.000 m (zona di separazione tra

troposfera e stratosfera) dato che la densità dell'aria diminuisce drasticamente. Il consumo di

combustibile è molto nei motori turbojet e, con l'uso del postcombustore, cresce ancora di più fino

al doppio o il triplo. 4.3 Turbofan

Ormai sia in campo civile che in campo militare la soluzione prevalente è rappresentata dal motore

Turbofan. Tale propulsore permette infatti, rispetto al turbojet, di ottenere una spinta maggiore a

parità di combustibile consumato: ossia minimo consumo e migliori prestazioni.

In questa tipologia di motore la turbina è responsabile sia dell'espansione dei gas combusti da

inviare all'ugello di scarico, sia della produzione di potenza propulsiva. Infatti questa architettura

prevede una turbina ripartita su due o tre stadi calettati su diversi alberi coassiali, due dei quali

(gli stadi di alta pressione) sono collegati con gli stadi del compressore, e un terzo (quello di bassa

pressione) aziona uno o più fan (ventole) intubati.

Il fan o ventola ha la caratteristica di essere intubato e non esterno alla carcassa del motore; ha la

funzione di convogliare lungo il condotto dov'è installato una notevole massa di aria, che viene

suddivisa in due portate separate:

la prima riceve una spinta dal fan ed entra nel compressore, partecipa alla combustione,

– espande nella turbina azionandola e finisce la sua espansione nell'ugello di scarico

generando una spinta;

la seconda invece è inviata direttamente allo scarico dal fan, contribuendo alla propulsione

– con una spinta aggiuntiva.

La ripartizione dell'aria è espressa con