Note base sui motori aeronautici a reazione (I)
Wednesday 16 April 2008
INTRODUZIONE

I motori jet per uso aeronautico sono delle turbomacchine. Si considera una turbomacchina ogni apparato atto a trasmettere (o ricevere) potenza da un flusso continuo di fluido per mezzo di azioni dinamiche. La parola “turbo” deriva dal Latino ed indica qualcosa che ruota in modo costante.  Lo sviluppo dei motori jet è stato rapido ed ha interessato essenzialmente la seconda meta’ dello scorso secolo. Ciononostante il motore a reazione è un cosiddetto motore filosofico, inteso come un motore che è stato prima pensato sulla carta da numerosi pensatori, per secoli, e poi realizzato.
Il primo a parlarne fu il greco Erone (1200 AC), che costruì il suo arganello idraulico; prima ad acqua e poi a vapore, per far muovere le porte del tempio di Delphi.

 

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Fig.1 : Arganello di Erone

 

Un motore a reazione è essenzialmente l’applicazione pratica della terza legge del moto di Newton che dice “Per ogni forza applicata ad un corpo esiste una reazione uguale e contraria”.  Nel 1913 l’ingegnere francese René Lorin penso’ ad motore a rezione, funzionante secondo la terza legge del moto, da applicare agli aerei, ma la scarsa efficienza della macchina e la bassa velocità degli aerei dell’epoca lo resero inutilizzabile.

 

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 Fig.2 : Motore Lorin

 

Nel 1930 Frank Whittle registro’ il suo primo brevetto sull’impiego di motori a reazione aeronautici, utilizzando il principio secondo il quale la sua  turbomacchina era in grado anche di mantenersi alimentata a bassa velocità. Curiosamente questa sperimentazione avvenne a Cambridge, dove lo stesso Newton aveva  sviluppato e insegnato i suoi principi e teorie, quasi due secoli prima.  Un moderno  turbogetto  non è altro che l’evoluzione del motore di Sir Frank Whittle. 

 

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Fig.3 : Motore Whittle

 

 
 
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

 

 

Anche se appare diverso da un propulsore ad elica, un motore jet funziona per lo stesso principio: entrambi spingono il proprio aereo esclusivamente soffiando una certa quantita’ d’aria in direzione contraria al moto, fig. 4.
 
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Fig.4 : propulsione ad elica vs reazione

 

Il motore a reazione, come già detto, è l’applicazione pratica della terza legge del moto; “il corpo”, dove viene applicata la forza è la massa d’aria che è accelerata nel motore e poi espulsa. La forza richiesta per accelerare questa massa viene applicata, come reazione contraria, all’apparato che ha prodotto questa accelerazione; il motore.
Questo principio fondamentale è presente in tutte le applicazioni che sfruttano la reazione; l’arganello di Erone, come l’elica di un aereo o anche l’innaffiatore rotante che spesso si usa nei giardini o gli idranti dei pompieri, che spesso devono sostenere in più persone.

E’ importante ribadire che la reazione di propulsione è esclusivamente interna  e non dovuta, come spesso si pensa, alla pressione del getto che spinge sull’atmosfera.

Infatti un turbogetto, come un razzo orbitale, è fatto per accelerare un flusso interno ed espellerlo ad alta velocita’.
I tipi di motore a reazione sono i piu’ svariati, in questa occasione ci occuperemo essenzialmente di turbogetti.
I vari tipi di turbogetto per propulsione aeronautica sono illustrati in Fig. 5 e Fig 6.  La concezione di un turboreattore è abbastanza semplice e consiste di due sole parti rotanti: un compressore e una turbina, Tra questi due componenti è installata  la camera di combustione. Le figure 5 e 6 mostrano tutte le configurazioni possibili di questi concetti. La semplicità di questi  concetti non esula, però, da difficoltà pratiche che si hanno nel realizzare una turbomacchina che funzioni davvero a dovere; questo è stato il principale motivo per il quale questo motore si è sviluppato solo di recente, a fronte di un’idea nata 3000 anni fa.
 
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Fig.5 : tipi di turbogetti: a) singolo stadio a compressore centrifugo, b) due stadi a compressore centrifugo, c) turboelica bialbero a flusso assiale, d) turbogetto monoalbero a flusso assiale   

 


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Fig.6 : tipi di turbogetti: a) turbogetto bialbero a flusso assiale e basso raporto di diluizione, b) turbogetto trialbero a flusso assiale ed alto rapporto di diluizione, c) turboelica spingente, d) turbogetto con fan controrotante ad altissimo rapporto di diluizione. 

 

Le difficoltà principali sono dovute all’alta temperatura alla quale operano la turbina e la camera di combustione, all’efficienza fluidodinamica delle pale della turbina e del compressore, che ha necessitato lo sviluppo di una apposita teoria matematica, ed alla progettazione del condotto di scarico che è uno degli elementi più importanti, poichè il solo fine del motore è quello di espellere, accelerandola, la massa d’aria

 

 

IL MOTORE TURBOGETTO

Un turboreattore è essenzialmente un sistema per comprimere e scaldare aria in modo da usarla come fluido di lavoro e avere spinta come risultato. Per produre la spinta serve che l’aria, che passa attravero il motore, venga accelerata e quindi aumenti la propria energia cinetica. Al fine di rendere questo processo il più efficiente possibile, l’aria viene prima compressa, aumentando quindi l’energia posseduta sotto forma di pressione, poi scaldata, per fornire ulteriore energia in forma termica, fino a quando, all’ugello di uscita, tutta questa energia accumulata si ritrasformi in velocità posseduta dall’aria.

Quindi il cuore del motore è il turbogas che trasmette quest’energia al flusso d’aria. Il ciclo di lavoro del turbogas è molto simile a quello di un comune motore alternativo a 4 cilindri, tipo quello della macchina. Con la sola differenza che, nella turbina, la combustione avviene a pressione costante, mentre nel motore a cilindri avviene a volume costante. Entrambi i motori sono comunque caratterizzati dalle stesse fasi: aspirazione, compressione, combustione, espansione e scarico, Fig. 7.

 

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Fig.7 : Fasi di motore a turboreazione e di un motore a cilindri alternativi. 

 

 

Queste fasi avvengono alternativamente, nel motore a combustione interna, e in modo continuo, nella turbomacchina. Nel motore a pistoni e’ solo un cilindro per volta che produce lavoro, mentre gli altri sono occupati ad aspirare, comprimere… mentre in un motore a turbina sono eliminati i pistoni che lavorano senza dare potenza e tutte le fasi avvengono contemporaneamente; quindi si ha una maggior potenza erogata, a parita’ di dimensioni. A causa di questo ciclo continuo e del fatto che la combustione non avviene in condizioni di tenuta del fluido, la pressione che un motore a turbina raggiunge al suo interno è di molto inferiore a quella che si sviluppa in un cilindro di un  motore alternativo, mentre  il volume dell’aria è quello che aumenta. Questo tipo di combustione è definita “isobara”. Si definisce “isobara” la combustione che avviene a pressione costante. Essa non produce i picchi di pressione tipici del motore alternativo e quindi permette di costruire un turboreattore con parti fatte di materiale più leggero.
Il ciclo di lavoro di un turbogas è schematizzato nel diagramma di figura 8.  L’aria atmosferica viene aspirata al punto A e compressa negli stadi del compressore, dove gli viene fornita energia meccanica. Nel tratto B-C, la camera di combustione, viene fornita ulteriore energia, sotto forma termica,. Finalmente il flusso espande nel tratto C-D; parte dell’energia è data alla turbina per far funzionare il compressore, altra parte viene spesa per accelerare il flusso e fornire la spinta all’aereo.

 

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Fig.8 : Fasi di motore a turboreazione sul piano Pressione-Volume 

 

CONCLUSIONI

Per concludere questo breve discorso introduttivo alla propulsione a getto, che non ha la presunzione di essere esaustivo dell’argomento, riassumiamo i concetti base.

Il motore a reazione è l’applicazione pratica della terza legge del moto di Newton: “Per ogni forza applicata ad un corpo esiste una reazione uguale e contraria.” Il “ corpo” dove viene applicata la forza è la massa d’aria che è accelerata nel motore e poi espulsa. La forza richiesta per accelerare questa massa viene applicata, come reazione contraria, all’apparato che ha prodotto questa accelerazione; il motore.

Le fasi caratteristiche di un motore a turbina sono le stesse di un motore alternativo, ma a causa della continuità di azione si ha maggiore potenza erogata, a parità di dimensioni.

Nella pagina seguono gli schemi operativi dei vari tipi di motore a turboreazione che abbiamo presentato all’inizio, con una tabella che ne rappresenta le caratteristiche di pressione, temperatura e velocità del flusso durante il ciclo.
In conclusione lo spaccato di un moderno high by pass ratio turbofan.

 

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Fig.9 : Caratteristiche termodinamiche del flusso evolvente in varie turbomacchine per propulsione aerea 
 

 

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Fig.10 : Rolls Royce RB211-800 Trent 

 

 

AKNOWLEDGEMENTS

Le presenti note sono una rielaborazione italiana, in sunto, del testo “How a jet  engine works” che fa parte delle lezioni introduttive che Rolls-Royce plc dedica agli studenti e a tutti coloro che si accostano per la prima volta all’argomento della propulsione a reazione.

Tutte le immagini del testo sono proprietà esclusiva di Rolls Royce plc.

 

 

REFERENCES

 

AA.VV., (1996), Jet engines, Rolls Royce plc, Derby.

 

Dixon S. L. (1998), Fluid Mechanics, Thermodynamics of Turbomachinery, Pergamon Press, London

 

Cumpsty N. A.,(2005), Jet engines, Cambridge University Press, Cambridge.

 

 

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