Il TurboFan
Dopo il motore aeronautico a mio avviso più particolare, oggi parliamo di quello più diffuso: il Turboventola. Il principio funzionamento è molto simile a quello dell’autoreattore, con la differenza che Il turbofan è provvisto di compressore meccanico e turbine, che ne permettono il funzionamento in uno spettro di velocità vastissimo.
È costituito da una presa d’aria anteriore, da un’elica, dal compressore, dagli iniettori di carburante, dalla camera di combustione e dal condotto di scarico e da un ugello posteriore; tutti questi organi, insieme agli organi secondari quali il motorino d’avviamento, le pompe per i lubrificanti ed i liquidi di raffreddamento, i post-bruciatori ecc., sono contenuti in un involucro a struttura tubolare.
Essi sostanzialmente accelerano una massa (formata da aria e prodotti della combustione) in una direzione che per la terza legge della dinamica o seconda legge di Newton produce una spinta nella direzione opposta.
L’aria viene aspirata dal motore frontalmente ed entra in un compressore che, tramite gruppi di lamelle statoriche e rotoriche viene portata ad alta pressione. Successivamente il flusso entra nella camera di combustione dove si miscela con il combustibile vaporizzato incrementando ulteriormente temperatura e pressione. Il flusso dei gas caldi espulsi dalla camera di combustione, viene quidni diretto contro le palette rotanti della prima turbina con un’angolazione tale da consentire la trasformazione dell’energia cinetica propria dei gas in energia meccanica assorbita dalla turbina, necessaria alla rotazione del compressore ed al funzionamento degli accessori movimentati dal motore, dopodichè esso passa attraverso la seconda turbina, che espande ulteriormente il flusso, per fornire la potenza necessaria a muovere la ventola. Infine, l’aria e i prodotti della combustione completano l’espansione nell’ugello di scarico e vengono espulsi verso l’esterno generando la spinta necessaria.
I motori turbofan aeronautici per impieghi militari sono generalmente provvisti di post-bruciatori.
La post-combustione è un processo che consiste nell’immettere carburante all’uscita della turbina mediante appositi iniettori, il quale brucia reagendo con l’ossigeno presente nell’aria di bypass.
Tale processo è finalizzato all’incremento della spinta fornita dal motore turbofan per diminuire il tempo di decollo e per migliorare le prestazioni in combattimento.
Infine, attraverso l’ugello di scarico, l’energia entalpica e di pressione disponibile allo scarico della turbina viene convertita, attraverso un processo d’espansione, in energia cinetica in modo tale da ottenere una velocità d’efflusso del fluido che consenta di generare un’opportuna spinta.
L’ugello di scarico di un motore turbofan aeronautico per impieghi militari è caratterizzato da una sezione variabile convergente – divergente a geometria regolabile; questo perché i gas comprimibili a velocità subsonica accelerano lungo un condotto a sezione convergente, mentre a velocità supersonica accelerano lungo un condotto a sezione divergente.
Un ugello di scarico a sezione variabile permette quindi di massimizzare la velocità dei gas espulsi e conseguentemente la spinta del motore.
La geometria dell’ugello deve essere tale per cui all’uscita la pressione dei gas sia eguale alla pressione esterna, infatti se la pressione dei gas all’uscita è inferiore rispetto alla pressione esterna, la ricompressione avviene esternamente all’ugello attraverso un complesso sistema di urti obliqui. Se la pressione dei gas all’uscita invece è superiore rispetto alla pressione esterna, l’espansione continua all’esterno dell’ugello.
La migliore condizione di funzionamento al fine di ottenere il massimo della spinta è quella di avere un preciso valore del salto di pressione tale da evitare urti (interni o esterni) o espansioni esterne; non potendo ovviamente intervenire sulla pressione dell’ambiente esterno, si deve fare in modo che la pressione nella sezione d’uscita dell’ugello sia proprio uguale a quella atmosferica, cioè che il fluido sia accelerato fino ad un valore ben preciso. Questo deve essere verificato in ogni condizione, cioè qualora cambi per qualche ragione la pressione all’ingresso dell’ugello , oppure cambi il valore della pressione esterna, così come accade col variare della quota di volo.
Questa condizione ottimale, che consente di ottenere il massimo delle prestazioni da un propulsore, può essere raggiunta intervenendo in maniera continua sulla geometria della sezione d’uscita dell’ugello restringendo ed allargando via via il diametro dell’ugello di uscita.
Qui trovate una Gif Animata che illustra schematicamente il funzionamento del Turbofan.
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