di  -  lunedì 3 giugno 2013

Nella precedente puntata abbiamo iniziato a parlare dei sistemi propulsivi aeronautici, esaminando brevemente la propulsione ad elica ed i motori alternativi a combustione interna quali sistemi propulsivi veri e propri.

Sebbene tale soluzione sia stata largamente impiegata in passato (ed ancora resista per i piccoli velivoli da turismo), l’avvento delle turbine a gas in luogo dei motori alternativi non ha completamente soppiantato l’elica quale mezzo di conversione della potenza erogata del motore in potenza propulsiva, infatti i sistemi così costituiti (Turbina a Gas + Elica -> TurboElica) vengono largamente impiegati ai giorni nostri anche su velivoli di dimensioni rilevanti.

TURBOELICA VS MOTORI ALTERNATIVI

Un motore turbo-elica non è altro che una turbina a gas (delle quali ne abbiamo parlato parecchie volte riguardo gli impieghi civili per la produzione di energia elettrica) opportunamente progettata per l’impiego aeronautico alla quale viene collegata, mediante un opportuno riduttore, un’elica a due o più pale (generalmente sino a sei) della quale diventa il motore.

Data la particolarità di tale motore, è possibile individuare immediatamente diverse peculiarità rispetto alla soluzione con il motore alternativo, la prima delle quali è l’elevata potenza specifica riferita al peso del motore, infatti valori del rapporto Potenza-Peso tipici dei sistemi TurboElica sono circa 4 kW/kg contro i circa 1.1 kW/kg per i motori alternativi a combustione interna di tipo aeronautico.

Questa differenza, unita al minore ingombro trasversale della turbina la rende, rispetto ai motori alternativi, una soluzione capace di minori ingombri e peso e pertanto più efficiente sul fronte aerodinamico.

Inoltre vi sono differenze anche rispetto al tipo di combustibile utilizzato, in quanto esse impiegano Kerosene in luogo della benzina Avio, soluzione che consente maggiori livelli di sicurezza.

Ulteriori vantaggi sono da individuarsi nella maggiore affidabilità e nella minore pressione acustica, tali da consentire rispettivamente minori manutenzioni e migliore comfort di cabina.

Sebbene la soluzione turboelica da quanto appena descritto sembri la migliore sotto tutti gli aspetti, bisogna evidenziare che il rendimento di questa è piuttosto modesto a bassa quota, mentre il costo di produzione è piuttosto elevato, fattori che non rappresentano dei limiti per gli aerei di una certa dimensione, ma assolutamente svantaggiosi per quanto riguarda i piccoli ed (relativamente) economici aerei da turismo.

IL SISTEMA TURBOELICA

Un sistema turboelica è costituito da varie parti, rappresentate nella seguente figura:

turboprop2

(Courtesy of www.aerospaceweb.org)

Si individuano le seguenti parti principali:

  • Presa d’aria
  • Compressore
  • Combustore (anulare o a camere tubolari multiple)
  • Turbina
  • Ugello di scarico
  • Riduttore
  • Elica

La presa d’aria rappresenta una parte molto delicata per quanto riguarda il progetto in quanto la presenza dell’elica genera delle condizioni aerodinamiche che influenzano in maniera sensibile il suo funzionamento, e di conseguenza la respirazione del motore.

Il compressore, a differenza di quanto accade nei sistemi TurboGas (che verranno discussi in post successivi), può essere di tipo centrifugo oltre che assiale, in quanto le portate d’aria risultano inferiori rispetto ad esse e pertanto è preferibile ottenere elevati rapporti di compressione con un numero ridotto di stadi rispetto a quanto possibile con la soluzione assiale.

Il combustore è di tipo compatto, generalmente realizzato unendo tanti piccoli combustori tubolari collocati circonferenzialmente tra Compressore e Turbina, oppure mediante un unico combustore anulare.

La Turbina (salvo su motori estremamente piccoli) è costituita da alcuni stadi assiali che scaricano in atmosfera i gas combusti attraverso l’ugello di scarico.

All’asse della turbina viene collegato un riduttore, il quale ha lo scopo di ridurre la velocità di rotazione tra l’albero della turbina e l’elica in modo da consentire a quest’ultima di operare ad un regime compatibile con le sue condizioni operative.

Tale riduttore più essere realizzato mediante un rotismo tradizionale oppure epicicloidale, e rappresenta una delle parti più delicate dell’intero sistema.

L’elica può essere collocata frontalmente al compressore od alla turbina, in base alle scelte tecniche del progettista.

Alcuni tra i motori turboelica più diffusi o più noti sono:

  • Pratt & Whitney Canada PW100 – è una storica famiglia di propulsori (utilizzati negli ATR 42 e 72) costituiti da un compressore centrifugo bi-stadio, due stadi assiali di turbina ed una potenza (nelle varie versioni) compresa tra 1340 ÷ 2050 kW
  • Pratt & Whitney Canada PT6 – è una famiglia di propulsori il cui impiego vede un elevato numero di velivoli (tra i quali il Piaggio P180 Avanti), ed è costituito da un compressore assiale di bassa pressione seguito da uno stadio centrifugo di alta pressione, una turbina assiale ed una potenza che varia tra 434 ÷ 1450 kW nelle versioni più spinte (ma dotate di un maggiore numero di stadi di compressore e turbina)
  • Europrop International TP400-D6 – è un motore recente (utilizzato dall’Airbus A400M “Atlas”) di derivazione TurboFan , costituito da un compressore assiale ad 11 stadi, una turbina assiale a 5 stadi e potenza pari a 8200 kW
  • Kuznetsov NK-12 – è un motore Russo piuttosto datato ed utilizzato da numerosi aerei Russi, la cui caratteristica visiva principale è di adottare uno schema a doppia elica controrotante, ed è dotato di un compressore assiale a 14 stadi, una turbina assiale a 5 stadi e 8592 kW di potenza

Con questa breve descrizione (che spero abbia avuto la capacità di incuriosirvi) si chiude il post odierno, e vi rinnovo l’appuntamento (confidando nell’assenza di impedimenti come avvenuto per la scorsa settimana) l’appuntamento a lunedì prossimo, sempre su AppuntiDigitali, sempre con la rubrica Energia e Futuro.

4 Commenti »

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  • # 1
    Giacomo
     scrive: 

    Anche se non c’entra molto con l’articolo, visto che sei del settore provo a chiedertelo lo stesso: come si comporterebbe un motore aeronautico a metano o gpl?

  • # 2
    Al
     scrive: 

    @Giacomo

    Un motore a turbina potrebbe funzionare benissimo anche con altri tipi di combustibile ed in linea di massima le turbine a gas hanno meno limitazioni tecniche sui combustibili che non i motori a pistoni.

    Il fatto che usino cherosene e non benzina deriva dal fatto che il cherosene costa meno, mentre la benzina (così come il GPL ed il gasolio) è riservata proprio ai motori a pistoni.

  • # 3
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Giacomo & Al

    Dire come si comporterebbe un motore aeronautico aeronautico con metano o gpl non è immediato, ogni combustibile ha delle caratteristiche che influenzano il motore in maniera più profonda di quanto non si creda, sebbene le turbine a gas, in uso terrestre per la produzione di energia elettrica, operano preferibilmente con metano, quindi non mi attendo grandi cambiamenti o problemi particolari.

    Aldilà di tutto bisogna però ricordare che non sono combustibili utilizzabili in campo aeronautico prima di tutto per la scarsa autonomia che deriverebbe per l’aereo, dal momento che si tratta di combustibili gassosi.

    Sull’uso del kerosene al posto della benzina la questione è un po’ più ampia rispetto a quella dei costi

  • # 4
    Al
     scrive: 

    @Simone

    Ovviamente a domanda generica ho dato una risposta molto generica e so benissimo che la questione è molto più complessa, anche perchè ogni motore dovrebbe essere sempre ottimizzato per il combustibile che usa.

    In ogni caso la turbina a gas è più adattabile a vari tipi di combustibili che non il motore a pistoni.

    Quanto al cherosene il discorso è effettivamente più complicato.
    Tra l’altro mi sono appena ricordato che, da ragazzino. lo usavo per farmi in casa la miscela dei motori da aeromodelli :-)

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