Meccanica del volo - Turbopropulsori aeronautici

Turbopropulsori aeronautici

Classificazione e principi di funzionamento

Introduzione: le turbine a gas

I motori endotermici rotanti, comunemente noti come turbine, sono delle macchine a fluido di tipo motrici, ossia trasformano l'energia posseduta da un fluido in lavoro meccanico, in cui il fluido operativo realizza un flusso continuo. A differenza dei motori endotermici alternativi, che utilizzano pistoni in movimento rettilineo/alternato tra due punti (PMS e PMI), le turbine utilizzano una o più corone di palette montate su un albero rotante.

Le turbine trovano un vasto impiego negli impianti statici e nel campo aeronautico. Gli impianti statici sono di tipo industriale e civile (centrali elettriche) e le turbine per queste applicazioni sono suddivise in:

• Aeroderivative, ossia tratte da modelli per aeromobili con alcune modifiche particolari.
• Heavy duty, ossia progettate appositamente per gli impianti statici, quindi a funzionare in modo continuo e a velocità costante.

Nel campo aeronautico le turbine a gas costituiscono i propulsori per velivoli civili e militari. Tali macchine sono leggere e compatte, progettate per ridurre al minimo i consumi di combustibile e hanno un ottimo sistema di raffreddamento dei palettaggi, viste le alte temperature raggiunte. Inoltre sono dotate di elementi per la propulsione, come l'elica, il fan, l'ugello e gli inversori di spinta.

Classificazione dei turbopropulsori

Tralasciando l'ampia pagina riguardante l'impiego in campo aeronautico (soprattutto negli anni passati) dei motori alternativi a combustione interna, specie dei motori radiali, passiamo alla classificazione generica dei motori a turbina.

In una prima classificazione, possiamo distinguere due categorie:

• Gli endoreattori;
• Gli esoreattori.

Gli endoreattori sono così chiamati perché trasportano al loro interno tutto il fluido di lavoro, sia combustibile che comburente, in appositi serbatoi. Gli endoreattori vengono impiegati quando non è disponibile nell'ambiente esterno al motore l'ossigeno per la combustione: questo avviene nello spazio e negli strati alti dell'atmosfera. Gli endoreattori possono essere a loro volta di due tipi:

• A propellente solido, ossia una mistura di combustibile e comburente in forma solida, che viene definita grano;
• A propellente liquido, (i più usati) ossia con i due propellenti divisi in serbatoi separati, come nei motori principali dello Space Shuttle che utilizzano idrogeno e ossigeno liquidi.

Le due sostanze propellenti vengono iniettate ad alta pressione in una camera di combustione, dove a seguito della reazione chimica avviene la formazione di un getto di gas ad alta pressione e temperatura, che espande in un ugello generando la spinta propulsiva. Nel campo astronautico, specie per i grandi vettori, si utilizza un sistema propulsivo organizzato in più stadi indipendenti tra loro e provvisti di propri serbatoi con combustibile e comburente. Quando un singolo stadio termina tutto il suo carburante viene espulso dal razzo e viene attivato lo stadio successivo. Tale sistema propulsivo è detto multistadio.

Gli esoreattori sono così chiamati perché trasportano solo parte del fluido di lavoro, cioè il combustibile, e prelevano dall'aria presente nell'atmosfera attorno ad essi l'ossigeno per la combustione. Questi motori possono essere abbinati ad eliche e sono realizzati per impieghi prettamente subatmosferici, anche a velocità elevate; la spinta è data dallo spostamento dell'aria che subisce una forte accelerazione e seguono il ciclo termodinamico Joule-Brayton.

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).

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).