Turboreattore

Turboreattore

Il turboreattore (o turbogetto) è il più semplice ed il più vecchio (oggi totalmente in disuso) dei motori a getto. Si tratta di un motore a ciclo continuo che sfrutta il 'ciclo turbogas', detto anche di Brayton-Joule, per produrre la spinta necessaria a far muovere un aereo.

Il motore è sostanzialmente costituito da una presa d'aria, da un compressore centrifugo o assiale, dalla camera di combustione, dove si trovano gli iniettori del combustibile (kerosene), da una turbina, da un eventuale postcombustore ed infine da un ugello di scarico che fornisce la spinta. Questi organi, assieme ai numerosi organi accessori, quali motorino d'avviamento, pompe per i lubrificanti e i liquidi di raffreddamento, sistemi di spillamento dal compressore, per evitarne lo stallo o per pressurizzare cabina e circuito idraulico, sono contenuti in un involucro metallico di forma aerodinamica posto nell'ala, di fianco alla fusoliera, entro la fusoliera, oppure sopra la coda del velivolo.

In un turbogetto l'aria viene convogliata dalla presa d'aria, o presa dinamica o diffusore, che inizia una prima compressione, ed inviata al compressore (o dai compressori nelle soluzioni a compressore di bassa e di alta pressione) il quale continua la compressione. Da qui viene inviata alla camera di combustione, dove si miscela con il combustibile nebulizzato dagli iniettori ed incendiata da una candela. Una volta iniziato il processo di combustione rimane spontaneo se non mutano le condizioni di pressione e flusso di combustibile.

La combustione continua provoca un notevole innalzamento della temperatura dell'aria che, non potendo espandersi, viene indirizzata verso la turbina dove si espande cedendo a questa la propria energia. Il turbogetto risponde, dal punto di vista termodinamico, al ciclo di Brayton e pertanto, come macchina termica, raggiunge rendimenti tanto più elevati quanto più elevati sono il suo rapporto di compressione e la temperatura massima del ciclo, a pari temperatura minima. La realizzazione dei turbogetto è quindi basata sull'ottenimento dei più elevati rendimenti possibili dei compressori, delle turbine a gas e delle camere di combustione.

I compressori attualmente usati sui motori più potenti sono del tipo assiale i quali, tuttavia, quando raggiungono determinate dimensioni presentano una serie di problemi di funzionamento e di regolazione, che in diversi casi portano a livelli inaccettabili alcune loro deficienze, come quella di una risposta alquanto pigra alla manetta. La causa fondamentale di ciò è l'estrema difficoltà di assicurare condizioni regolari di funzionamento in un'ampia gamma di regimi ai diversi stadi del compressore, ciascuno stadio del quale influenza il comportamento tanto di quelli che lo precedono quanto, soprattutto, di quelli che lo seguono. Tra le tecniche elaborate per superare questi inconvenienti, si possono citare quella dell'adozione di palettature a calettamento variabile, per i primi stadi del compressore: in questo modo se l'aria entrante ha una velocità più bassa di quella di progetto si potranno inclinare di meno le palette o viceversa. Dello spillamento (sottrazione) di parte della portata d'aria elaborata dal compressore stesso, in questo modo, specialmente all'avvio quando il compressore inizia a funzionare, i primi stadi non riusciranno a comprimere l'aria che inviano agli stadi successivi, i quali si troverebbero quindi un volume d'aria eccessivo. E della suddivisione del compressore in due o più tronchi indipendenti mossi, mediante due alberi coassiali, ciascuno da una propria turbina (schema noto come turbogetto bialbero o trialbero).

I compressori assiali hanno generalmente il rotore costituito da una struttura cilindrica o tronco-conica cui sono applicate le palette, oppure da una serie di dischi, ciascuno dei quali porta le palette, e che, serrati gli uni contro gli altri, vengono collegati all'albero della turbina. Le palette possono essere realizzate in [[lega leggera]], in acciaio ed in titanio, soprattutto quelle dei primi stadi, più soggette al pericolo di danni per l'ingestione di oggetti estranei, e quelle degli ultimi, dove l'aria compressa raggiunge temperature anche di qualche centinaio di gradi centigradi.

Il compressore ha la funzione di alimentare con aria sotto pressione, captata dalla presa anteriore, le camere di combustione, in cui viene bruciata il cherosene nebulizzato mediante speciali iniettori.

La maggior parte dell'aria proveniente dal compressore (il 75%) viene impiegata per diluire i prodotti della combustione stessa e per raffreddare le pareti esterne delle camere. Queste sono costituite da più involucri anulari, contenuti l'uno dentro l'altro, e collegano l'uscita del compressore con l'ingresso in turbina, convogliando verso di questa i gas che si formano durante la combustione. Data l'elevata temperatura di combustione, le camere sono realizzate in leghe ad alto tenore di nichel, capaci di resistere a temperature anche abbondantemente superiori ai 1200 sC.

La turbina ha la funzione di elaborare la portata gassosa trasformandola in parte in energia meccanica, necessaria per il trascinamento del compressore; la portata gassosa finisce di espandersi nel condotto di scarico, la cui forma contribuisce ad accelerare la velocità di espansione dei gas; la variazione della quantità di moto della massa gassosa in espansione fornisce la spinta.

La spinta è approssimativamente calcolata dalla seguente formula matematica:

dove è il flusso di massa che attraversa la presa d'aria nell'unità di tempo (massa diviso tempo), è la velocità della massa d'aria mischiata ai gas di scarico in uscita e è la velocità dell'aria in entrata nella presa d'aria che corrisponde alla velocità del velivolo ( TAS )se posto in movimento.

Da come si capisce dalla formula, a differenza di un endoreattore, un razzo insomma, un air breathing engine ovvero un motore alimentato ad aria, ha una limitazione dovuta ai gas di scarico, in altre parole l'aeroplano non potrà mai volare a velocità superiori della velocità del getto, perché altrimenti la spinta diverrebbe negativa.

Oggi il tipo di turboreattore più diffuso in campo commerciale è il turboventola (o turbofan) in quanto è più vantaggioso ottenere la stessa spinta con una piccola accelerazione di un'elevata portata d'aria anziché conferire una maggiore accelerazione ad una piccola portata d'aria. Infatti il rendimento propulsivo è definito come:

dove

è la potenza propulsiva è il prodotto della spinta per la velocità di volo, mentre

è la potenza del getto. Quindi:

per questo motivo, assegnata la spinta e la velocità di volo, il rendimento risulta tanto più alto quanto più sarà grande .

Il rapporto di compressione dei moderni turboventola può arrivare a 40:1.

MOTI CURVI

INTRODUZIONE

Quando un velivolo non segue una traiettoria rettilinea, si dice che esso compie delle evoluzioni.

Le normali evoluzioni, che qualsiasi velivolo è in grado di compiere, sono:

Virata piatta

Virata corretta

Richiamata

Decollo

Atterraggio

Virata corretta

è possibile ricavare il raggio della virata corretta dividendo membro a membro la seconda e la terza equazione di equilibrio:

Sapendo che il fattore di carico o di contingenza n in ogni condizione di volo risulta dato dal rapporto tra la portanza e il peso del velivolo durante la virata corretta tale rapporto, come si può notare dalle condizioni di equilibrio, risulta:

Con formula inversa è possibile determinare l'angolo di sbandamento conoscendo il fattore di carico:

Azionando solamente gli alettoni, non sempre risulta verificata l'equazione di equilibrio lungo l'asse Y₀, si possono verificare i seguenti casi:

1° Caso: F_c > P sen δ il velivolo tende ad allargare la virata

(DERAPATA) per cui il pilota dovrà agire sul timone in modo tale da ottenere una devianza che sommata alla componente P sen δ sia in grado

ai equilibrare la forza centrifuga. La condizione di equilibrio risulterà quindi:

F_c = P sene + D

II pilota si rende conto della situazione osservando il virosbandometro che, mostra una virata a sinistra e la pallina spostata verso il centro della traiettoria, per ripristinare l'equilibrio dovrà quindi premere leggermente il pedale sinistro in base alla regola ben nota ai piloti 'piede scaccia pallina'

2° Caso: FC < P sen δ l'aereo tende in questo caso a stringere la virata

(SCIVOLATA) diminuendo sempre di più il raggio della traiettoria. Per ripristinare l'equilibrio il pilota dovrà ruotare il timone verso l'esterno della virata in modo tale che la devianza sommata alla forza centrifuga equilibri a componente P sen δ.

      

La condizione di equilibrio risulterà quindi:

F_c + D = P senδ

Rispetto al volo rettilineo orizzontale uniforme (V.R.O.U), la virata può essere effettuata a velocità costante oppure ad assetto costante.

dove (Cp_virata) è il coefficiente di portanza da assumere in virata, (Cpv.r.o.u. ) rappresenta il coefficiente di portanza che il velivolo aveva :ma di entrare in virata, (n) è il fattore di carico o di contingenza che, come visto precedentemente dipende dall'angolo di sbandamento.

Ovviamente ciò produrrà un aumento del coefficiente di resistenza per I cui, per mantenere costante la velocità si dovrà aumentare la trazione o spinta precisamente aumentando, del quadrato del fattore di carico, la sarte di trazione o spinta necessaria per vincere la resistenza indotta.

Sempre per non perdere quota si dovrà, in questo caso. Aumentare la velocità e precisamente:

dove (V_virata) è la velocità da assumere in virata, (V_v.r.o.u.) rappresenta la velocità che il velivolo aveva prima di entrare in virata, (n) è il fattore carico o di contingenza che, come visto precedentemente dipende dall'angolo di sbandamento.

Per ottenere questo aumento di velocità sarà necessario aumentare a trazione o spinta in modo tale che: