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Clipper
Come funziona la Turbina Aeronautica

Roberto Picco

Cari amici, volevo iniziare questo articolo con una breve introduzione. L’idea di queste righe è nata sentendo alcune persone discutere dei motori degli attuali aerei di linea (le turbine o turbofan), confondendo e qualche volta travisando i principi di base del loro funzionamento. Chiedo scusa in anticipo ai "puristi" della materia, questo mio lavoro non vuole essere un manuale tecnico ma solamente una descrizione generale del loro funzionamento nel modo più semplice e diretto possibile.
Ora, detto questo possiamo passare al motore. Comunemente gli aerei vengono definiti con motori ad elica oppure a "reazione". Quello che viene definito a "reazione" è un termine equivoco perché negli aerei di linea i veri "reattori", cioè i motori che generano la spinta dalla velocità dell’aria scaricata, sono "estinti" dalla metà degli anni settanta. Tuttavia vengono ampiamente usati ancora oggi nel settore militare (caccia, razzi e missili in genere). Il motore a turbina o turbofan che viene utilizzato sin dalla fine degli anni sessanta (dal primo B747) non lavorano solamente sul concetto fisico "ad un azione corrisponde una reazione" (da qui il nome reattore, cioè produrre una forma di energia da una reazione fisica), ma anche sulla prima legge della fisica, cioè che tutto si trasforma e nulla si distrugge. Difatti il moderno turbofan non genera la propria spinta dalla velocità con cui l’aria esce dal motore, ma dalla "quantità" di aria che il motore riesce a muovere (quindi produrre la spinta dalla trasformazione di energia). I risultati di questa semplice differenza sono stati un motore più efficiente alle velocità sub-soniche (con evidente risparmio nei consumi) ed una rumorosità notevolmente ridotta.
	Il Turbofan funziona a quote relativamente basse dove l’aria è più densa, il reattore (oppure l’attuale turboreattore come sul supersonico Concorde) produce spinta anche a quote molto elevate con atmosfera più rarefatta proprio per questa differenza di funzionamento. Deve comunque restare chiaro che il moderno turbofan, resta il fratello minore del reattore, quindi una sua evoluzione, e come tale hanno qualcosa in comune, il compressore, la camera di combustione e la turbina.
Mentre nel vecchio reattore la turbina generava direttamente un flusso d’aria accellerato che generava la spinta, nel turbofan questo flusso di aria viene utilizzato per far girare la turbina, che, a sua volta, trasmette il movimento rotatorio alla ventola, di dimensioni maggiori, montata all’inizio del motore. Quest’ultima, a sua volta, è l’elemento che genera il 95% della spinta, spostando un quantitativo d’aria maggiore, anche se di velocità inferiore (proprio come un’elica). Il funzionamento è semplice, la grossa ventola, formata da una serie di palette che si vedono all’inizio del motore (se lo si guarda dal davanti), è l’unica artefice della spinta che imprime velocità all’aereo. Girando, questa ventola genera un flusso d’aria. Il 70% di quest’aria è l’equivalente del 90% della spinta totale del motore. Il restante 30% del flusso d’aria è così distribuito ed utilizzato: 10% viene utilizzato dalle utenze (aria per l’aerazione forzata della cabina passeggeri, pressurizzazione della cabina, aria calda/fredda, utilizzatori pneumatici dell’aereo come slats, flaps, spoilers, ecc…) il restante 20% e viene utilizzato dalla sezione compressore, combustione, turbina per generare quel movimento che andrà poi a far ruotare la ventola. Il flusso di gas che viene espulso dopo la sezione turbina (gas di scarico) viene accelerato in velocità dalla forma a cono della parte finale del motore, producendo a sua volta il restante 10% della spinta totale (se vi chiedete come un tubo conico possa accelerare la velocità dell’aria potete approfondire l’argomento sui "principi del tubo di Venturi", su qualunque libro di fisica). L’aria spostata dalla ventola e che genera la spinta fluisce attraverso il motore sui lati della turbina (contribuendo a raffreddarla) attraverso uno spazio chiamato "By-pass". Nei "reattori" il By-pass non esiste e il 90% dell’aria spostata dalla ventola viene inviata nel compressore e successivamente espansa nella camera di combustione, inviata in turbina e poi scaricata. I gas scaricati generano la spinta. Ritornando al turbofan ora vi chiederete, se la ventola produce l’aria che serve per far girare la turbina e a spingere l’aereo, ma è la turbina che fa girare la ventola, come fa un motore d’aereo a funzionare? Questo aspetto vi sarà più chiaro spiegandovi la procedura meccanica di messa in moto del motore. Ora, il motore per alimentarsi ha bisogno di due cose, un flusso d’aria ed il carburante. A motore fermo non esiste un flusso d’aria, quindi dobbiamo utilizzare una sorgente esterna per incominciare a farlo girare. Di solito la sorgente esterna è un compressore oppure l’APU dell’aereo che fornisce l’aria compressa. Quest’aria, immessa direttamente in turbina, incomincia a farla girare. La turbina, girando, mette in movimento la ventola che inizia a generare una piccola quantità di flusso d’aria. Questi due flussi d’aria sommati non hanno molta forza (non abbastanza per alimentare il motore) e il massimo a cui riesce ad arrivare è il 20% del numero massimo di giri. Quando il motore supera il 16% si accendono due candele nella camera di combustione. Candele utilizzate per produrre una scintilla per accendere il carburante (come nella motore delle comuni macchine, anche se non uguali). Una volta accese le candelette si apre il carburante. Il carburante immesso si accende producendo un’elevata temperatura e l’espansione del flusso d’aria. Quest’espansione genera una notevole accelerazione della turbina. La turbina accelerando fa, di conseguenza, accelerare anche la ventola che finalmente raggiunge una velocità tale da generare un flusso d’aria sufficiente a sostenere il motore (minima potenza disponibile). Due fattori devono essere chiariti, primo le candelette una volta che il carburante si è infiammato vengono spente e non sono più utilizzate fino alla successiva sequenza di messa in moto, perché la temperatura raggiunta nelle camere di combustione è sufficiente ad accendere il carburante e di continuare ad alimentare il ciclo senza l’ausilio delle candele che, se utilizzate troppo a lungo (per via dell’elevato voltaggio elettrico), potrebbero bucare le camere di combustione. Secondo fattore è che l’aria spillata dal compressore (oppure dall’APU) dev’essere mantenuta fino a quando la turbina non raggiunge il 50% del numero di giri. Questo valore è considerato di "autosostentamento", cioè che la ventola ora produce un flusso d’aria sufficiente da mantenere "acceso" tutto il motore e di generare una spinta minima. Se noi togliessimo il compressore esterno prima di questo valore (50% n° di giri) la ventola non fornirebbe abbastanza aria e il motore non riuscirebbe a sostenersi da solo, spegnendosi. Ora il motore è acceso alla minima potenza, la ventola produce abbastanza aria da alimentare le utenze dell’aereo, la turbina ed è pronta a generare il restante 50% di giri del motore; l’equivalente della restante potenza disponibile. In termini semplicistici si potrebbe paragonare a grandi linee al motore della nostra automobile; il sistema carburatore, cilindri e pistoni producono un’energia che trasmessa alle ruote producono quella forza che permette alla macchina di muoversi. Nel turbofan di un aereo il sistema carburatore, cilindri e pistoni sono l’equivalente al gruppo compressore, camera di combustione e turbina. Questi generano un’energia che trasmessa alla ventola produce quella forza che permette il movimento dell’aereo (paragonabile alla ruota dell’automobile). Ci sarebbero molte altre cose da spiegare, ma ritengo che per lo scopo che mi ero prefisso, questo è più che sufficiente. Spero vivamente di essere riuscito nell’intento di parlare di questo argomento in modo semplice e di non avervi confuso di più le idee.

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Last update/ultimo aggiornamento: 06-10-2002

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