Turboventola

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Un turbofan Pratt and Whitney provato nella base aerea di Robins, Georgia, USA. La galleria dietro allo scarico del motore serve a raffreddare il flusso e a diminuirne l'intenso rumore. La grata attaccata davanti alla presa d'aria serve a evitare l'ingestione da parte del motore di corpi estranei e non è parte integrante dello stesso.

1leftarrow.pngVoce principale: Motore a reazione.

Il turboventola, spesso indicato in inglese turbofan, è un tipo di motore a reazione che a differenza di un normale motore turbogetto, utilizza due flussi d'aria separati:

  • il primo flusso, detto flusso caldo, attraversa tutti gli stadi del motore, vale a dire: la presa d'aria, che ha la funzione di instradare il flusso generando una prima compressione dell'aria rallentandola, negli stadi successivi, la ventola (uno o più stadi), il compressore, la camera di combustione, la turbina (uno o più stadi), e l'ugello di scarico, dove si esercita tutta la propulsione.
  • il secondo flusso freddo invece attraversa solo ventola e ugello, nel caso di turboventola a flussi associati, oppure la sola ventola nel caso di turboventola a flussi separati.

Il rapporto tra la portata in massa di flusso freddo e flusso caldo si dice rapporto di diluizione o, in inglese: bypass ratio o BPR.

Usi e caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

Un turboventola General Electric GEnx. Equipaggia gli aerei Boeing 787 e Boeing 747-8.

Tutti gli aeroplani moderni a getto adottano il turboventola, in quanto è il motore che permette il minimo consumo e migliori prestazioni rispetto al sorpassato turbogetto. Questo per motivi legati alla presenza della ventola e del flusso freddo.

Molti aeroplani passeggeri adottano turboventole ad alto rapporto di diluizione; possiamo riconoscerli grazie al loro più grande ingombro frontale, determinato dalla ventola appunto, mentre gli aeroplani ad alte prestazioni, come possono esserlo i caccia, adottano turboventole a basso rapporto di diluizione, per un fatto legato alla loro velocità operativa molto elevata, dove quindi l'ingombro è paragonabile a quello di un turbogetto semplice.

La ventola è mossa da un albero della turbina più a valle, detta turbina di bassa pressione, mentre il compressore è mosso da un altro albero, concentrico e più esterno rispetto al primo, collegato alla turbina più a monte e immediatamente posta a valle del combustore, detta turbina di alta pressione. Questa configurazione è detta bialbero, ma il compressore potrebbe essere mosso anche da più di un albero, generando configurazioni trialbero.

Il rumore prodotto da questo tipo di motori è strettamente in relazione alla velocità dei gas di scarico. I motori a rapporto di diluizione più alto, cioè a più bassa spinta specifica (spinta per unità di flusso di massa), sono relativamente silenziosi, se comparati con i turbogetti e i turboventola a basso rapporto di diluizione (e quindi ad alta spinta specifica). Un motore a bassa spinta specifica ha una velocità allo scarico molto più bassa: per convincercene basta far riferimento all'equazione approssimata della spinta, valida anche per i turbogetti:

T = \dot m (V_s - V_a)

dove \dot m è il flusso di massa che attraversa la presa d'aria nell'unità di tempo (massa diviso tempo), V_s è la velocità dei gas di scarico e V_a è la velocità di volo.

Quindi la spinta specifica è data da:

\frac{T}{\dot m} = (V_s - V_a)

Così, se l'aeromobile è fermo, la spinta specifica è direttamente proporzionale alla velocità del getto.

Gli aeroplani a getto sono spesso considerati rumorosi, ma un propulsore a pistoni o un turboelica che erogassero la stessa potenza sarebbero molto più rumorosi.

A differenza del turbogetto dove l'unica parte del motore che fornisce la spinta è l'ugello, nel turboventola fino all'80% circa della spinta è fornito dalla ventola, in inglese fan.

Turboventola a flussi separati[modifica | modifica sorgente]

Diagramma che illustra un turboventola bialbero ad alto rapporto di diluizione a flussi separati. In verde il complesso a bassa pressione, mentre in viola il complesso ad alta pressione.

L'introduzione degli statori a geometria variabile nel compressore fece sì che i compressori ad alta pressione potessero lavorare senza pericolo di stallo. Questa innovazione fece il suo debutto col General Electric J79, un turbogetto monoalbero militare. Quando il compressore a geometria variabile fu accoppiato alla ventola, fu possibile aumentare drasticamente la pressione di combustione. Inoltre, una più alta temperatura in turbina, grazie ai nuovi materiali e ai nuovi metodi di raffreddamento, rese possibile adottare delle camere di combustione più piccole.

Queste migliorie portarono anche allo sviluppo di un motore ad alto rapporto di diluizione, dove la ventola elabora una grande quantità d'aria, rispetto al resto del motore. Oggi BPR ≥ 5 sono assai comuni, la ventola assomiglia a un'elica intubata, la quale soffia aria fredda attorno alle componenti del motore più a valle. Il flusso della ventola poi si miscela con quello dell'ugello di scarico, rendendo il motore meno rumoroso. Inoltre la ventola, in questo caso, partecipa alla generazione della spinta insieme all'ugello.

Il primo turboventola ad alto rapporto di diluizione fu il General Electric TF39, progettato per il Lockheed C-5 Galaxy, un enorme aeroplano da trasporto militare. Il General Electric CF6 usava un disegno simile, ma per impiego civile. Seguirono il Pratt & Whitney JT9D, il trialbero Rolls-Royce RB211 e il CFM International CFM56. I più recenti sono il Pratt & Whitney PW4000, il trialbero Rolls-Royce Trent, il General Electric GE90, e il General Electric GEnx.

La loro grande spinta e il loro consumo più ridotto resero i turboventola ad alto rapporto di diluizione indispensabili per l'impiego civile.

Una rappresentazione schematica di un turbofan a flussi separati è illustrata in figura. A valle del diffusore (presa d'aria) comune all'intera portata d'aria (principale e secondaria), si trovano alcuni stadi del compressore che costituiscono la ventola e sono attraversati anch'essi dall'intera portata d'aria. Da questo punto in poi i due flussi seguono percorsi diversi. In particolare il flusso secondario non verrà ulteriormente compresso, mentre il flusso primario verrà compresso dal compressore che sviluppa un rapporto di compressione (rapporto tra pressione in uscita e pressione in entrata) superiore a quello della ventola ed è quindi caratterizzato da più stadi. Questa portata evolve successivamente come nel turbogetto semplice sino all'uscita dalla prima turbina.

La prima turbina è infatti quella che fornisce la potenza necessaria a muovere il compressore. A valle della prima turbina i gas combusti, ad alta temperatura e a pressione ancora superiore a quella atmosferica, vengono ulteriormente espansi nella seconda turbina che fornisce la potenza necessaria a muovere la ventola (spesso indicata col termine inglese fan). Soltanto a valle della seconda turbina il flusso principale verrà accelerato sfruttando la frazione di potenza utile ancora disponibile per produrre la spinta.

Il flusso secondario a valle della ventola può essere accelerato in un ugello. Spesso, soprattutto nel caso di elevate portate di flusso secondario, per risparmiare peso e ingombro e per limitare gli attriti, l'ugello del getto secondario è posizionato appena a valle della ventola.

Turboventola a flussi associati[modifica | modifica sorgente]

Diagramma che illustra un turboventola bialbero a basso rapporto di diluizione a flussi associati. In verde il complesso a bassa pressione, mentre in viola il complesso ad alta pressione.

I primi turbogetti lamentavano un consumo assai elevato, mentre la pressione di tutto il ciclo, così come la temperatura interna, erano molto limitate dalla tecnologia del tempo. Materiali più evoluti e l'introduzione del doppio compressore adottato da motori come il Pratt & Whitney JT3C, aumentarono le pressioni sostenibili e l'efficienza termodinamica del motore, ma portarono a una ben povera efficienza propulsiva, dato che i turbogetti in genere avevano un piccolo flusso di massa e una grande velocità di scarico.

I turboventola a basso rapporto di diluizione furono progettati per migliorare l'efficienza propulsiva, riducendo la velocità del getto a valori più vicini alle velocità di volo. Il Rolls-Royce Conway, il primo turboventola, aveva un BPR = 0,3 (rapporto di diluizione), simile al moderno General Electric F404, motore montato su aerei quali il McDonnell Douglas F/A-18 Hornet. I turboventola civili degli anni 60', come il Pratt & Whitney JT8D e il Rolls-Royce Spey possedevano un BPR = 1.

In un turboventola a flussi separati i due getti sono caratterizzati da temperature diverse. Poiché a parità di salto di pressione la velocità di efflusso è proporzionale alla radice quadrata della temperatura totale del flusso, si può cercare di aumentare la temperatura del flusso secondario grazie all'elevata temperatura di quello primario. Questo principio è alla base della realizzazione del turboventola a flussi associati che, ridistribuendo tra i due flussi non solo il lavoro utile ma anche l'energia termica, permette di ottenere prestazioni superiori rispetto al caso del turboventola a flussi separati, anche se per ottenere tale vantaggio bisogna tener conto del peso aggiuntivo necessario.

In un turboventola a flussi associati il flusso freddo, dopo essere stato compresso, viene miscelato con quello caldo. Nello schema è presente un nuovo componente, la camera di miscelazione, dove i due flussi vengono appunto miscelati prima di essere espansi in un unico ugello. Bisogna considerare un vincolo aggiuntivo, rispetto al caso del turboventola a flussi separati. Infatti all'ingresso della camera di miscelazione i due flussi devono avere la stessa pressione statica. Questo comporta che, in fase di progetto, il rapporto di compressione della ventola e il rapporto di diluizione non possono essere scelti entrambi arbitrariamente.

L'inusuale General Electric[1] fu sviluppato come un "aft-fan" (cioè un motore con la ventola a valle del ciclo), con un BPR = 2. Era un derivato del turbogetto General Electric,[2] imbarcato sul Northrop T-38 Talon e sul Learjet da 12 650 Newton, sviluppato per il Rockwell Sabreliner 75/80. Il CF700 fu il primo «piccolo turboventola» al mondo a essere certificato dalla Federal Aviation Administration. Ora volano non meno di 400 aeroplani con questo propulsore con più di 10 milioni di ore di volo.

Sin dagli anni settanta i motori a getto erano turboventole a basso rapporto di diluizione a flussi associati e post-combustore. Il primo turboventola con postbruciatore fu il Pratt & Whitney TF30 che equipaggiava il General Dynamics F-111, il Grumman F-14 Tomcat e il Vought A-7 Corsair II.

Ricordiamo anche i turboventola del blocco sovietico, con il celebre Ljul'ka AL-31F, disegnato da Arkhip Mikhailovich Lyul'ka e probabilmente uno dei migliori della guerra fredda, montato sui Sukhoj Su-27 Flanker, e il Thumanskij RD-33 adottato dal Mikoyan-Gurevich MiG-29 Fulcrum.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ CF700 www.aircraftenginedesign.com.
  2. ^ J85/CJ610 www.aircraftenginedesign.com.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • (EN) D.G. Shepherd, Aerospace Propulsion. Elsevier, New York, USA, 1972.

Costruttori[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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