VIAGGIO ALL’INTERNO DEI MOTORI TURBOGETTO

Introduzione al funzionamento del ciclo di Brayton.

Ciclo di Brayton

Contrariamente al ciclo del motore alternativo (ad esempio quello che equipaggia le normali automobili, che si basa sul ciclo Otto oppure Diesel), che si svolge in un unico contenitore (il cilindro), il ciclo delle turbine a gas, di cui il motore a reazione fa parte, si svolge in quattro elementi: compressore, camera di combustione, turbina, ugello terminale con lo scarico in aria libera.
Riportando il ciclo su un tipico diagramma p-v (pressione-volume) avremo (riferendoci al ciclo teorico):

1) Una compressione adiabatica, 1-2, durante la quale l’aria, ricevendo il lavoro W12 dal compressore, passa dalla temperatura T1 e dalla pressione p1 alla temperatura T2 e alla pressione p2.

2) Una trasformazione (combustione) a pressione costante 2-3, durante la quale viene ceduta al fluido la quantità di calore Q23, nelle camere di combustione: alla fine (punto 3), il fluido avrà una temperatura T3 (maggiore naturalmente di T2, ma minore della temperatura di combustione, perché comprende anche l’aria del raffreddamento che non ha partecipato alla combustione) e la pressione p2.

3) Una espansione 3-4 che si divide in due tratti: il primo (3-3’) avviene nella turbina (al termine il fluido avrà temperatura T3’ e pressione p3’), e il lavoro prodotto dal fluido durante questa prima espansione serve ad azionare il compressore ed è uguale al lavoro W12
assorbito dal compressore nella trasformazione 1-2. Il secondo tratto (3’-4), avviene nell’ugello ed in questa seconda espansione il fluido subisce una forte accelerazione che lo porta alla velocità di uscita U.

Da ultimo avviene lo scarico 4-1 che avviene all’aria aperta, a pressione costante.
E’ da notare che, nel caso di un motore turboelica, l’espansione 3’-4 avviene sulla turbina di potenza che darà il moto all’elica.
Il rendimento teorico di questo ciclo dipende principalmente dal rapporto di compressione, ed aumenta all’aumentare di esso. Chiaramente il ciclo teorico non è realizzabile nella realtà; ad esempio nel ciclo reale le compressioni non sono adiabatiche e inoltre bisogna tenere conto delle varie perdite all’interno del motore. Il rendimento termico del ciclo reale cresce quanto maggiore è
la temperatura a cui vengono portati i gas durante la combustione, prima dell’espansione. Questo valore naturalmente non può aumentare all’infinito, dato che la temperatura deve stare entro i limiti imposti dai materiali con cui sono costruite le turbine (i materiali moderni, i miglioramenti delle tecniche metallurgiche e i sistemi di raffreddamento in uso oggi hanno comunque permesso di innalzare molto le temperature a cui le turbine possono resistere).

CAMERA DI COMBUSTIONE

Approfondiamo brevemente il funzionamento di una camera di combustione (riferendoci alla figura riportata più sotto: le percentuali d’aria riportate sono puramente teoriche, a scopo didattico, chiaramente poi ogni motore potrà avere caratteristiche diverse).
L’aria proveniente dal compressore, nonostante il rallentamento subito nel diffusore, si presenta
comunque con una velocità troppo elevata per una combustione corretta. Per prima cosa quindi, la camera provoca, attraverso il passaggio dell’aria nella sezione iniziale divergente, un ulteriore diminuzione della velocità, e naturalmente il conseguente aumento di pressione.
Il Cherosene brucia in maniera ottimale quando il rapporto aria-combustibile (titolo della miscela) è vicino al valore stechiometrico di 15:1. Nel tubo di fiamma vero e proprio entra solo il 20% circa della massa d’aria totale, mentre il restane 80 % è convogliato nell’intercapedine tra tubo di fiamma e carter esterno della camera. All’imbocco del tubo di fiamma si trova un vorticatore e uno schermo di lamiera perforata, attraverso il quale l’aria entra nella zona di combustione primaria: quest’aria viene detta aria primaria. Poco più della metà dell’aria primaria passa attraverso il vorticatore, la restante attraverso lo schermo perforato. Nelle pareti adiacenti la zona primaria si trovano ulteriori
fori, attraverso il quale entra un ulteriore 20% d’aria (proveniente da quell’80% che non è entrato subito nel tubo), chiamata aria secondaria. Questa, interagendo con la primaria dotata di moto vorticoso, crea una zona di circolazione a basa velocità, un vortice toroidale che ha la funzione di
stabilizzare la fiamma. L’ugello spruzza il combustibile proprio nel centro di questo vortice.
Le goccioline di combustibile possono così miscelarsi intimamente con l’aria, favorendo una corretta combustione. La temperatura rilasciata dalla combustione è eccessiva per l’entrata in turbina, quindi si provvede a far entrare un’altra parte di aria, aria terziaria, che entrando progressivamente nel tubo
di fiamma diminuisce la temperatura. La combustione però deve essere completata prima dell’ingresso dell’aria di raffreddamento, altrimenti l’ingresso dell’aria terziaria “bloccherebbe” la combustione, favorendo l’uscita di gas ricchi di depositi carboniosi e facendo diminuire il rendimento del motore. Circa un 20% dell’aria terziaria viene fatto entrare nel tubo (nella zona di diluizione), il resto provvede a raffreddare le pareti del tubo di fiamma stesso. Alla fine anche
quest’aria si unirà al flusso, abbassando ulteriormente la temperatura fino a valori accettabili dalla turbina.

FLUSSI NELLA CAMERA DI COMBUSTIONE

Le camere di combustione possono essere di tre tipi: Multiple, Tubo-Anulari o Anulari. Le camere Tubolari (o multiple), presentano più elementi tubolari singoli, di cui ognuno è una camera di combustione completa. Oggi è quasi totalmente caduta in disuso, e si adattava bene ai compressori centrifughi.


Camera di combustione multipla.

Le camere Tubo-Anulari hanno diversi tubi di fiamma racchiusi in un unico carter esterno: l’aria di raffreddamento fluisce tra i tubi di fiamma e il carter esterno.


Camera tubo anulare.

Le camere anulari invece sono costituite da un unico tubo di fiamma disposto ad anello intorno al carter di passaggio dell’albero turbina compressore. Sono quelle più moderne ed efficienti, che permettono la combustione migliore.


Camera di combustione anulare.

Come abbiamo visto, molto dipende dai materiali usati poiché l’innalzamento delle temperature potrebbe mettere in crisi tutta la struttura ed è altrettanto vero che le prestazioni aumentano con l’aumento della temperatura interna.
Nella descrizione della camera di combustione, vogliamo includerci anche il post bruciatore, anche se questo fenomeno avviene a valle della camera di combustione stessa ed esattamente nel cono di uscita dei gas espulsi, sfruttando le parti di ossigeno incombuste che sono mescolate ai gas caldi e con l’aggiunta di un’iniezione di carburante contribuisce ad una esplosione supplementare e questo grazie alla grande pressione ancora in atto all’uscita dei gas espulsi.

Fine seconda parte.

Info su Daniele

Salve, pratico l'aeromodellismo dal 1988, dopo aver appreso il pilotaggio rc. con motoalianti, mi sono dedicato ai modelli, prima da acrobazia e poi da riproduzione. Il mio interesse e curiosità verso la progettazione degli aeromodelli, mi spinge a dedicarmi alla realizzazione di riproduzioni in scala progettandoli in proprio. Ancora oggi, dopo molte realizzazioni, continuo a progettarli, realizzarli, collaudarli e metterli a punto con grande piacere e divertimento. Per qualsiasi domanda, non avete che da contattarmi. Ciao. Daniele.
Questa voce è stata pubblicata in tecnica. Contrassegna il permalink.

Lascia una risposta

L'indirizzo email non verrà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *