Scusandomi per l’assenza di lunedì scorso, riprendiamo oggi il percorso intrapreso monte settimane fa andando anche oggi ad esaminare un sistema propulsivo aeronautico particolarmente interessante.
EVOLUZIONE DEI MOTORI TURBOGETTO: IL TURBOVENTOLA
I motori turbogetto tradizionali risultavano fortemente limitati riguardo il rendimento, pertanto si operò al fine di sviluppare soluzioni in grado di incrementare il rendimento dei propulsori aeronautici e venne sviluppato a tale scopo il motore TurboVentola, noto anche con il nome inglese TurboFan.
La particolarità di tal soluzione è la presenza, in genere (sono molto rare le eccezioni) sul primo stadio del motore, di una ventola il cui flusso non partecipa interamente al processo di combustione.
Nella seguente figura è possibile visionare un motore turboventola e distinguerne le varie parti:
La cosa più evidente rispetto ad un tradizionale turbogetto è la parte frontale del motore, costituita appunto da una ventola (o “Fan” in inglese) che elabora una portata generalmente molto elevata rispetto a quella del compressore, e che solo in parte attraversa (dopo la ventola) il compressore e partecipa quindi al processo di combustione.
E’ pertanto facile individuare due distinti flussi, uno indicabile come “Freddo“, rappresentato dal flusso che attraversa la sola ventola ed uno “Caldo“, che attraversa l’intera serie componenti per poi eventualmente ricongiungersi con il flusso freddo nella sezione finale del motore, ovvero nell’ugello di scarico.
Dal rapporto tra le portate massiche del flusso freddo e del flusso caldo si individua il cosiddetto “Rapporto di Diluizione“, noto anche come By-Pass Ratio o BPR, parametro piuttosto significativo per l’analisi di un motore turboventola.
L’impiego della ventola (mono o pluristadio) è legato al fatto che per generare una spinta è necessario incrementare la quantità di moto del fluido tra monte e valle della macchina, e tanto maggiore è tale cessione di quantità di moto tanto maggiore sarà la spinta.
Poiché è possibile (entro certi limiti) generare una data spinta sia accelerando una piccola quantità di fluido ad elevate velocità (cosa che però porta ad elevata rumorosità e minore rendimento) che accelerando una grande quantità di fluido a bassa velocità (minore rumorosità e maggiore rendimento), l’introduzione della ventola permette proprio di sfruttare questa seconda condizione migliorando in maniera sensibile le prestazioni di un tradizionale turbogetto sia sul piano dell’efficienza (e quindi dei consumi) che della rumorosità complessiva oltre che della spinta prodotta.
L’introduzione della ventola però ha creato dei problemi per quanto riguarda le dimensioni finali dei motori in quanto, al crescere del rapporto di diluizione si ha una conseguente crescita delle dimensioni radiali del motore, pertanto l’impiego di motori ad elevato grado di diluizione è limitato al campo civile mentre in ambito militare si utilizzano bassi valori di tale parametro.
Tra le problematiche è importante evidenziare anche l’incremento della resistenza del velivolo a causa della maggiore sezione frontale in tutte le condizioni di volo per le quali non si richiesta la massima spinta, pertanto il dimensionamento del motore tiene conto del complesso mix di parametri sia tecnici che operativi.
I motori turboventola sono oggi i motori aeronautici più diffusi e rappresentano la quasi totalità degli stessi, avendo soppiantato le soluzioni più tradizionali, e pertanto vengono sviluppati in numerose configurazioni in funzione delle particolari specifiche del velivolo dove andranno installati, e si individuano principalmente due soluzioni identificate come:
- Turboventola a flusso separato: si tratta dei motori a più alto rapporto di diluizione, generalmente adottati dai velivoli civili, e si distinguono chiaramente i due flussi (freddo e caldo) i quali vengono espulsi attraverso differenti ugelli di scarico;
- Turboventola a flusso associato: si tratta generalmente dei motori a minore rapporto di diluizione (generalmente per impieghi militari) nei quali il flusso freddo viene miscelato a valle della ventola con il flusso caldo in modo da aumentare le prestazioni del motore senza incrementi rilevanti in senso radiale fuoriuscendo dallo stesso ugello di scarico;
Un confronto qualitativo tra due motori turboventola, il primo di tipo civile (Boeing 747) ed il secondo militare (Eurofighter Typhoon) mette in evidenza le rilevanti differenze in termini dimensionali:
(Pratt & Whitney PW 4000 utilizzato dal Boeing 747 – Courtesy of Pratt & Whitney)
(Eurofighter con i suoi motori TurboVentola – Courtesy of www.aviogrup.com)
Anche per oggi è tutto, vi invito a continuare a seguirci, sempre su AppuntiDigitali, sempre con la rubrica Energia e Futuro.
