di  -  lunedì 20 maggio 2013

Il post odierno si ricollega alla serie di post sul volo supersonico (e non) recentemente terminata, e se finora abbiamo parlato di svariati velivoli e delle imprese che hanno visti protagonisti alcuni di essi, non meno importante è andare a scoprire qualcosa di più sui sistemi propulsivi che hanno caratterizzato la storia aeronautica.

DAI FRATELLI WRIGHT AI GIORNI NOSTRI – “L’INOSSIDABILE” PROPULSIONE AD ELICA

Dal primo volo dei fratelli Wright fino ai giorni nostri è possibile individuare una soluzione tecnica che resiste inossidabilmente all’evoluzione della tecnologia: la propulsione mediante l’impiego dell’elica.

Tale soluzione può venire schematizzata come un’ala mobile in grado di consentire l’avanzamento del velivolo attraverso la portanza generata dalla sua superficie:

Ipitch

(Courtesy of www.phy6.org)

Un’elica può venire assimilata ad un’ala che si muove contemporaneamente assialmente alla direzione di avanzamento del velivolo e trasversalmente ad esso, e la sua analisi può essere fatta sia considerando il fluido in quiete e l’elica in movimento che all’inverso, considerando l’elica come un ala immobile nel flusso che si muove intorno ad essa, ma in entrambi i casi si rileva una portanza  sul dorso del profilo proporzionale all’angolo tra esso ed il flusso, ed ovviamente alla velocità relativa tra i due.

Dando per assodato il funzionamento dell’elica e la sua attualità, resta un punto da discutere: “chi la aziona?”

DAL MOTORE STELLARE AL MOTORI IN LINEA

All’epoca del fratelli Wright e grossomodo fino alla fine della Seconda Guerra Mondiale le eliche venivano azionate da Motori Alternativi a Combustione Interna, soluzione questa analoga (sebbene le tipologie fossero differenti) per le autovetture e per tutti i veicoli terrestri a motore.

L’evoluzione dei motori alternativi per gli impieghi aeronautici ha visto comparire vari soluzioni, alcune piuttosto originali come i motori “stellari”, ovvero motori i cui cilindri risultavano disposti a raggiera rispetto al blocco dove veniva alloggiato l’albero (ed in vari casi erano più di uno) motore.

Di questa soluzione ne vennero sviluppate varie configurazioni, generalmente distinguibili dal sistema utilizzato per trasmettere il moto alternato dei singoli pistoni nel moto rotatorio dell’albero finale al quale veniva collegata (direttamente o con dei riduttori) l’elica.

Come facilmente intuibile, questa soluzione vedeva crescere l’ingombro frontale dell’aereo al crescere della cilindrata e del numero dei singoli cilindri, fattore che influiva negativamente sulle prestazioni del motore, sebbene sul fronte del raffreddamento ad aria presentasse alcuni vantaggi.

Tra i tanti motori di questo tipo sviluppati, uno dei più famosi è sicuramente il Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp, impiegato in un grande numero di velivoli dell’epoca:

pr-2800-2

(Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp – Courtesy of www.aviation-history.com)

Una soluzione alternativa consisteva nella realizzazione del blocco motore con i cilindri in linea, soluzione che semplificava il sistema di conversione del moto dei pistoni, richiedendo un solo albero motore e permetteva una minore sezione frontale del velivolo, sostanzialmente indipendente dalla potenza del motore.

La soluzione in linea si prestava meno al raffreddamento ad aria (sebbene venisse ampiamente utilizzato) rispetto ai motori a stella, ma attraverso l’adozione del raffreddamento a liquido vennero sviluppati motori estremamente potenti.

La crescente richiesta di prestazioni portò ben presto allo sviluppo di soluzioni sofisticate anche riguardo i motori in linea, portando alla nascita di motori a V, nei quali due bancate di cilindri insistono su un’unico albero motore, a W, nei quali le bancate sono tre o quattro e l’albero motore può essere unico o doppio.

Una soluzione ulteriore che vide ampio utilizzo consisteva nella realizzazione ad H, consistente sostanzialmente in due motori a pistoni contrapposti (V di 180° o boxer) ciascuno con il proprio albero motore sovrapposti tra loro.

Le crescenti necessità di prestazioni si scontravano, oltre che con le dimensioni dei motori, con la necessità di sopperire alla diminuzione della densità dell’aria con il crescere della quota, motivo per il quale si introdusse un sistema di compressione dell’aria, inizialmente per riportare il motore ad operare in condizioni analoghe a quelle di riferimento, e successivamente utilizzato per ottenere un incremento vero e proprio delle prestazioni analogamente a quanto avvenne successivamente nei motori terrestri.

Proprio il contributo in termini di ricerca dato dalle esigenze dell’aeronautica (soprattutto militare) permise un notevole sviluppo delle tecnologie dei motori a combustione interna, tecnologie che in parte vennero riversate sul settore automobilistico (e tra i grandi esponenti di questo travaso tecnologico non si possono non citare aziende come BMW, Daimler ed un personaggio come Sir Harry Ricardo) quando l’aeronautica, per le sempre crescenti richieste di prestazioni, vide abbandonare il motore alternativo in favore di altre soluzioni che discuteremo nella prossima puntata.

A seguire alcune immagini del Napier Sabre, un motore con 24 cilindri ad H e valvole a fodero estremamente potente con raffreddamento a liquido che rappresentò una delle più valide soluzioni motoristiche durante l’epoca della Seconda Guerra Mondiale, ma che vide una breve vita a causa delle nuove soluzioni tecnologiche che portarono ben presto i motori alternativi a scomparire dagli aerei militari:

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(Napier – Sabre VII – “Courtesy of drej08.wordpress.com”)

Anche per oggi è tutto, vi rinnovo l’appuntamento a lunedì prossimo, sempre su AppuntiDigitali, sempre con la rubrica Energia e Futuro.

6 Commenti »

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  • # 1
    joe.vanni
     scrive: 

    Anche se off-topic credo di dare per la rubrica una news molto importante, se non è già nota.

    E’ appena uscito il REPORT INDIPENDENTE SULLA FUSIONE FREDDA (l’Ecat ad alta temperatura di Andrea Rossi) condotto da due università indipendenti importanti, che hanno confermato i risultati sperimentali

    http://22passi.blogspot.it/2013/05/pubblicato-su-arxiv-il-report-delle-cat.html

    Il petrolio diventerà solo materia prima e non più fonte di energia nel giro di pochissimi anni

  • # 2
    Altrove
     scrive: 

    l’ECAT è una baggianata galattica, già abbastanza “sputtanata” in rete da aver fatto ridere anche i polli.
    E la fusione fredda è tutta un’altra cosa.
    Magari informarsi prima di sparare leggende metropolitane sarebbe meglio.

  • # 3
    Alessio Di Domizio
     scrive: 

    @ joe.vanni
    Per favore rimaniamo in topic. E se proprio dobbiamo andare off, cerchiamo almeno di riportare cose sensate.

    @ Simone
    Leggendo mi è saltata in mente una domanda: i motori di cui parli, in quale range di giri/minuto lavorano? I riduttori da motore a elica sono fissi o esistono soluzioni con rapporto di riduzione variabile (per consentire al motore di girare sempre al regime ottimale)?

  • # 4
    muvideo
     scrive: 

    Simone,
    leggendo il titolo della tua rubrica
    non so perché ho pensato subito al
    Napier Sabre e ai motori a foderi.
    Immagina la sorpresa e la soddisfazione
    nel vederlo citato a fine articolo :)

    Quei motori sono vere e proprie opere
    d’arte della meccanica, costruiti per
    massimizzare il rapporto peso-potenza.
    Poi sono stati spazzati via dalle
    turbomacchine.

    Mi fa piacere anche che cominci parlando
    dell’elica, la diamo per scontata, ma non
    è banale, un propulsore magnifico: efficiente,
    leggero e robusto, limitato solo dalla velocità
    massima operativa.

  • # 5
    Marco
     scrive: 

    > Leggendo mi è saltata in mente una domanda: i motori di cui parli, in
    > quale range di giri/minuto lavorano? I riduttori da motore a elica
    > sono fissi o esistono soluzioni con
    > rapporto di riduzione variabile (per consentire al motore di girare
    > sempre al regime ottimale)?

    Ciao Alessio,
    provo a risponderti io, magari Simone poi correggerà eventuali strafalcioni.
    I motori rotativi (dove il blocco cilindri gira assieme all’elica) diffusi ai tempi della prima guerra mondiale avevano un regime di potenza massima dell’ordine dei 1500 giri/min. e funzionavano in presa diretta, mentre per il Double Wasp siamo a poco meno di 3000 e si rende necessario un riduttore (2:3). Lo stesso dicasi per il diffusissimo DB 601 e derivati (regime nei dintorni dei 2600 giri/min.), equipaggiati con un riduttore fisso da 1:1.5 a 1:2 a seconda delle versioni (è importante che le punte dell’elica non superino la velocità del suono, per evitare sollecitazioni eccessive e perdita di efficienza).
    Per sfruttare debitamente la potenza (ed adeguarsi al regime di rotazione del motore ed alla velocità dell’aereo) si usano eliche a passo variabile e con un adeguato numero di pale (di solito tre pale per il DB 601 da circa 900KW, e quattro per l’R2800 montato sul P-47 da quasi 1900KW).

    Aggiungo una nota: i motori stellari usano un sistema di biella madre e biellette per trasmettere il moto all’albero motore attraverso un singolo perno di manovella, in modo che i cilindri siano tutti sullo stesso piano, almeno per un motore a stella singola. Storicamente Harley Davidson usa questo schema per i classici bicilindrici, da cui la compattezza del motore. Osservando invece gli altri bicilindrici a V si nota lo sfasamento dei cilindri uguale almeno alla larghezza della testa di biella ovvero la distanza fra i due perni di manovella, a seconda dell’architettura del motore.

  • # 6
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    Mi scuso per l’assenza e per le mancate risposte, ma in questi giorni mi è stato davvero difficile rispondere…

    @ Alessio di Domizio

    Onestamente non sono sicuro se ci siano riduttori variabili, quantomeno in continuo… mi pare di ricordare che ci siano (o ci siano stati) riduttori a più rapporti, ma l’impiego di eliche a passo variabile direi che li rende abbastanza inutili… devo spulciare un po’ di documentazione per potere dare qualche informazione più precisa

    @ Marco

    grazie mille del contributo

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