Propulsori aeronautici: IL TURBOGETTO

Propulsori dell'EF-2000 (sopra) e del TORNADO (sotto)

 

Categoria fondamentale di propulsori aeronautici a getto termico, i quali si basano sul principio di fornire energia (calore) al fluido e poi usarla per ottenere un lavoro (si parla di ciclo termodinamico aperto, in quanto il fluido che percorre il ciclo non è sempre lo stesso).

Il turbogetto semplice è composto essenzialmente da una presa d'aria (o presa dinamica), un compressore, una camera di combustione, una turbina e un ugello. Il gruppo compressore, combustore e turnina costituiscono il generatore di gas.

La PRESA D'ARIA è un condotto il cui scopo è quello di convogliare il flusso in modo uniforme verso il compressore senza provocare distacchi dello strato limite, rallentando il flusso (Mach 0.4รท0.7), aumentando la pst (pressione statica) con minime perdite di ptot (pressione totale). Inoltre si cercherà di realizzare la presa d'aria in maniera tale da minimizzare la resistenza esterna. Esse si possono distinguere essenzialmente in subsoniche, supersoniche, a compressione interna o esterna (sia subsoniche sia supersoniche) a seconda della velocità del flusso a monte (velocità di volo).

Il COMPRESSORE è un componente (turbomacchina) in cui avviene uno scambio d'energia (L>0) tra il fluido e un organo rotante detto "rotore" (disco più palettatura). Qui avviene il resto della compressione già effettuata in parte nella presa d'aria (a velocità nulla - cioè a "punto fisso" - la compressione viene effettuata completamente dal compressore). Esistono vari tipi di compressori: assiali, radiali (centifughi e centripeti), misti. Inoltre un gruppo compressore può essere composto di più organi per ottimizzare il processo: ci possono essere per esempio un compressore di bassa e uno di alta pressione.

Il fluido così rallentato e ad alta pressione entra nella CAMERA DI COMBUSTIONE dove viene innalzata l'energia termica del fluido mediante un processo di combustione che libera l'energia chimica del combustibile. Il combustibile deve essere vaporizzato e mescolato opportunamente con l'aria affinchè avvenga la reazione chimica alla quale ha luogo la combustione. Proprio per questi motivi, senza entrare nel dettaglio, il fluido deve essere rallentato prima di arrivare al combustore. Le camere di combustione si dividono principalmente in anulari, tubolari e miste.

A questo punto il fluido carico d'energia viene fatto espandere in parte nella TURBINA, che è, come il compressore, una turbomacchina attraverso la quale, però, viene presa energia dal fluido (L<0) per muovere il rotore. La turbina è collegata al compressore attraverso un albero e il suo scopo è quello di prendere dal fluido l'energia necessaria per far si che il compressore possa funzionare. Così come il compressore, anche il gruppo turbina può essere composto di più stadi (per es. di alta e di bassa pressione), ciascuno dei quali è collegato con un albero ad un ben preciso stadio di compressore.

L'energia ancora posseduta dal fluido viene infine sfruttata dall'UGELLO, un condotto il cui scopo è quello di espandere il fluido fino alla pressione ambiente (pari a quella d'ingresso alla presa d'aria) aumentandone, allo stesso tempo, la velocità (trasformazione di energia entalpica e di pressione in energia cinetica) così da ottenere una spinta (T):

T=(ma+mc)vj-mav0+(pj-p0)Aj

con:

ma+mc: portata scaricata dall'ugello

v0: velocità di volo

ma: portata introdotta attraverso la presa d'aria

pj: pressione di efflusso

mc: portata di combustibile

p0: pressione ambiente

vj: velocità di efflusso

 

Metodi per incrementare la spinta

Osservando l'espressione sopra, si vede che per incrementare la spinta bisogna sostanzialmente:

Le tecniche usate si possono così riassumere:

Solitamente queste tecniche si applicano al decollo o in particolari fasi di missione. Per ogniuna di esse si potrebbe fare una trattazione a parte, ma, per ragioni di spazio, citeremo solamente i principi fondamentali del post-combustore (quelli dell'F-15 nella foto):

sostanzialmente i gas che escono dalla camera di combustione e che vengono scaricati dalla turbina, possono ancora essere soggetti ad un'altra combustione. Essi vengono rallentati in un diffusore prima di essere mescolati ad altro combustibile e bruciati nel post-combustore, per aumentare il salto entalpico a disposizione dell'ugello. A differenza della camera di combustione principale, il post-combustore può operare con una configurazione più semplice grazie alle maggiori temperature di ingresso ed alle condizioni più vicine allo stechiometrico. L'aumento di spinta è generalmente del 50% con l'aumento del consumo di combustibile di circa 3 volte!

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