VIAGGIO ALL’INTERNO DEI MOTORI TURBOGETTO.

Come è noto, l’architettura di un motore Turbogetto è estremamente semplice e semplice è anche il principio di funzionamento, ovviamente ci sono alcuni aspetti da tenere presente e rispettare per una buona riuscita di funzionamento, primi tra tutti, i materiali usati e la precisione di lavorazione.
Il principio fondamentale sul quale si basa un turbojet, è l’alta temperatura raggiunta nella camera di scoppio e questo grazie ad una compressione dell’aria immessa che raggiunge 23/25 bar.
Il turbogetto è il più semplice e il più vecchio dei motori a reazione. Si tratta di un motore a ciclo continuo (o aperto) che sfrutta il Ciclo di Brayton-Joule per produrre la spinta necessaria a far muovere un aereo secondo il terzo principio della dinamica o principio di azione e reazione.
Per raggiungere un alto tasso di compressione viene utilizzato un compressore.
Nelle Turbine vengono usati due tipi di compressori, assiali e centrifughi.
I compressori centrifughi hanno il vantaggio di ” catturare ” da soli l’aria circostante e aspirano in qualsiasi condizione.


Esempio di compressore centrifugo.

Il compressore centrifugo.
Il compressore centrifugo è costituito da un disco palettato (girante o impeller) messo in rotazione ad alta velocità. A causa della forza centrifuga impressa dal disco palettato, l’aria viene aspirata dal centro della girante ed accelerata radialmente con un certo incremento di pressione statica. L’aria, una volta lasciata la girante, viene convogliata in un diffusore costituito da canali divergenti (parte statorica della turbomacchina) che converte l’energia cinetica in energia di pressione.

Generalmente i compressori centrifughi sono progettati in modo tale che l’aumento di pressione avvenga per metà nella girante e per metà nel diffusore, cioè con un grado di reazione pari ad 1/2. Maggiore è la velocità di rotazione della girante e maggiore sarà la portata e l’aumento di pressione. Il limite superiore alla velocità di rotazione è però dettato da considerazioni costruttive legate agli sforzi meccanici che agiscono sul disco e alla velocità dell’aria in uscita dalla girante che deve essere minore di Mach 1 per evitare gli effetti di comprimibilità e di pompaggio che porterebbero ad un crollo dell’efficienza del compressore.
Il compressore centrifugo ha, rispetto al compressore assiale, più potere di compressione per unità, ma per contro ha una sola unità disponibile per comprimere l’aria, mentre il compressore assiale è modulabile con più stadi di compressori e quindi in totale assoluto, il compressore assiale, ha più potere di comprimere l’aria aspirata.


Esempio di compressore assiale.

I compressori assiali, al contrario di quelli centrifughi, possono essere assemblati con una o più giranti, la prima serie di giranti, in genere da 2 a 3 unità, è considerata di bassa pressione e viene posto tra una girante ed un’altra uno statore per raddrizzare il flusso.
Subito dopo abbiamo il compressore ad alta pressione, munito sempre di statori tra una girante e l’altra.
Questo sistema di compressori a ” pacchetto” riesce a comprimere notevolmente l’aria e così, ad inviarla alla camera di combustione.
Da considerare che solo 1/4 dell’aria in entrata finisce nella camera di combustione ed il resto viene usata per lambire l’esterno della camera.
La parte anteriore del motore e cioè il compressore, viene considerata parte” fredda” e quindi realizzata con leghe di alluminio, dural, anticorodal ecc…
Questo perché quella zona non è soggetta a surriscaldamento e quindi le lavorazioni di quei pezzi risultano molto più semplici e poco costose.
Nei compressori assiali, la sezione a bassa pressione potrebbe risultare controrotante rispetto alla sezione ad alta pressione, questa soluzione offre maggiore stabilità al corpo turbina migliorandone le prestazioni.
Abbiamo fin qui considerato un motore a getto in cui tutta l’aria aspirata passa nel compressore per poi proseguire il ciclo. Un tale motore viene detto a flusso singolo, è cioè un turboreattore puro.
Ci si è accorti però che questo tipo di motore offre rendimenti molto buoni solo a velocità e quote elevate: le sue prestazioni a bassa velocità sono scarse. In particolare il rendimento propulsivo, che dipende dal rapporto U\V,dove ” U” rappresenta la velocità di uscita del getto e ” V” rappresenta la velocità dell’aerodina, alle velocità di volo normali dei jet civili rimane basso. Per aumentarlo è necessario diminuire U, ma per far ciò senza che avvenga una diminuzione della spinta (che ricordiamo essere data da S=m(U-V) ), occorre aumentare la massa dei gas espulsi.
Nei motori usati nei modelli Jet in aeromodellismo, sono come sopra descritti, a flusso semplice e dei TurboJet puri, caratterizzati da alti consumi e scarse prestazioni a basse velocità e c’è da considerare che non hanno il vantaggio di poter usufruire di quote elevate, dove l’aria è più rarefatta, visto che volano al massimo ad una quota max di 300/400 mt. da qui la loro svantaggiosa prestazione.

Il compressore assiale.
Il compressore assiale è una turbomacchina operatrice a flusso assiale, nella quale il fluido scorre (comprimendosi) parallelamente all’asse di rotazione.


Rispetto al compressore centrifugo gestisce maggiori portate a parità di superficie frontale, ma con un minore rapporto di compressione per singolo stadio e quindi maggiori lunghezze a parità di rapporto di compressione. Nelle turbine a gas, i compressori assiali sono collegati alle turbine da alberi di trasmissione. Quasi tutte le turbine a gas di taglia medio-grande di oggi sono a flusso assiale, mentre i motori più compatti, come le APU (unità ausiliarie di potenza) o i motori di elicottero o autoarticolato, sono a flusso centrifugo.
Un tipico compressore assiale possiede un rotore, un disco con palettatura, seguito da uno statore, simile al rotore nella forma ma fisso al telaio. L’accoppiamento di uno statore e di un rotore (l’ordine dipende dal motore) è detto stadio. Lo Junkers Jumo 004 (1943), uno dei primissimi turbogetti, possedeva otto stadi, il Lyulka AL-21F (primi anni sessanta) ne possedeva ben 14, il General Electric J79 (fine anni cinquanta) addirittura 17. I moderni motori a getto invece, migliorando il rapporto di compressione di un singolo stadio grazie all’impiego di materiali più adatti e dall’aerodinamica più raffinata, possiedono un numero di stadi più limitato, sebbene utilizzino due (o più) compressori in serie, il compressore di bassa pressione ed il compressore di alta pressione mossi da alberi separati che ruotano a velocità differenti per ottimizzarne i rendimenti. Il Klimov RD-33 (anni settanta) usa 4 stadi per la ventola e 9 per il compressore, l’Eurojet EJ200 (anni novanta) invece 3 per la ventola ed appena 5 per il compressore.

Procedendo nel compressore, il volume di aria a disposizione del flusso si riduce mentre la pressione totale aumenta.

In un motore a getto il compressore è mosso da una turbina posta davanti allo scarico della camera di combustione. La turbina utilizza quindi una parte dell’energia liberata dalla combustione per muovere il compressore, tipicamente dal 60 al 65%, la frazione rimanente di energia viene impiegata nell’ugello di scarico per generare la spinta propulsiva.
Il comportamento di un singolo stadio di un compressore assiale, nelle ipotesi semplificative di velocità radiale nulla e velocità assiale costante, è illustrato in figura, dove si trovano u1 la velocità assoluta di ingresso nel rotore, u2 la velocità assoluta di uscita dal rotore, w1 la velocità relativa di ingresso nel rotore, w2 la velocità relativa di uscita dal rotore e con U la velocità di rotazione del rotore. Inoltre si sono specificati con ut la velocità tangenziale assoluta di entrata e con pedice a la velocità assiale assoluta di entrata. Analogamente per w, la velocità relativa al rotore. Le velocità relative allo statore mostrano il pedice 2.
Osservando la figura si può notare (così come si può ricavare dall’analisi dei triangoli di velocità) che nel rotore le palette divergono, così che il flusso nel sistema di riferimento del rotore si comporta come in un condotto divergente (diffusore). Analogamente anche la palettatura dello statore è divergente per permettere la conversione di energia cinetica in energia meccanica di pressione.

Come nel compressore centrifugo, anche nel caso del compressore assiale si può ricavare che la potenza è proporzionale al quadrato della velocità di rotazione.

Il singolo stadio di un compressore assiale può produrre solo un salto di pressione molto basso (1,15 – 1,30) senza rischiare instabilità o ridurre eccessivamente il rendimento (forti gradienti di pressione negativi nel flusso tra le pale, simile a quello in un diffusore).
Il compressore assiale si presta bene al pluristadio: il flusso in uscita dallo statore è già pronto per l’ingresso nello stadio successivo.
Le palette debbono essere svergolate, cioè presentare un diverso angolo rispetto alla corrente a seconda della distanza della sezione dal centro di rotazione. Infatti la velocità relativa tra corrente e paletta cambia a seconda di questa distanza (la velocità lineare di rotazione è infatti data dalla formula v = r × ω, dove v è la velocità lineare, r il raggio o meglio la distanza dal centro di rotazione ed ω la velocità angolare, o il numero di giri al secondo moltiplicato per la lunghezza di un giro, 2π).
I primi compressori assiali offrivano una efficienza assai limitata, talmente limitata che nei primi anni 20′ si pensava che in pratica un motore a getto fosse impossibile da costruire. Ma le cose cambiarono radicalmente quando Alan Arnold Griffith pubblicò un saggio nel 1926, nel quale si affermava che responsabili della scarsa efficienza del compressore erano le palette piatte usate all’epoca, le quali stallavano a qualsiasi numero di giri. Le prime palette infatti erano semplici “piastrelle”, mentre lo studio di Griffith mostrava il vantaggio di palette a sezione alare, cioè spesse vicino il bordo d’attacco e appuntite sul bordo d’uscita. Il suo studio mostrava un diagramma dove una seconda turbina muoveva un’elica.

Sebbene Griffith fosse molto ben conosciuto per i suoi primi studi sulla fatica dei metalli e le misure degli sforzi, svolse ben poco lavoro direttamente connesso al saggio del 1926. L’unica conseguenza immediata fu un prototipo di compressore costruito da un collega di Griffith al RAE, Haine Constant. I primi tentativi di motore a getto, se si eccettuano quelli di Henri Coandă e di Giovanni Battista Caproni (si veda il motoreattore), vennero eseguiti da Frank Whittle e da Hans von Ohain utilizzando il più conosciuto compressore centrifugo, ampiamente impiegato per la sua robustezza, compressione, leggerezza e bassa inerzia, per i turbocompressori dei motori a pistoni.

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.
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