Secondary air systems: gestire termicamente un motore aeronautico

In un motore aeronautico lo scenario termico presenta una notevole variabilità di temperature sotto le quali i componenti devono poter resistere. I sistemi secondari sono deputati al trasferimento di aria da una zona all’altra del motore per il cooling, ad esempio, delle turbine di alta e di bassa pressione.

Nella sezione del motore aeronautico sopra rappresentata, si possono vedere le temperature del flow path. Si parte dall’esterno con temperatura pari a quella ambiente (che dipende dalle condizioni di volo), il flusso viene poi compresso e la temperatura raggiunge i 700-900 K. In una zona abbastanza ristretta, avviene la reazione di combustione nel combustore e la temperatura si innalza fino ai valori di picco stechiometrici, circa 2500 K. Infine, il gas espande in turbina e in uscita si possono avere 600-800 K.

È sorprendente come in 3-4 metri di lunghezza tipica di un motore aeronautico si presenti una variabilità così notevole di temperature.

Se immaginassimo di sezionare il motore subito prima del combustore, si otterrebbe una tipica distribuzione di temperature: si parla di pattern factor, la cui conoscenza è di fondamentale importanza per un’adeguata progettazione delle pale della turbina.

Si evidenzia come il picco di temperatura è ben diverso dalla temperatura media che si ha all’ingresso della turbina.

Quanto bisogna raffreddare?

Negli anni si è registrata un’evoluzione nei materiali impiegati e delle loro caratteristiche di resistenza alle alte temperature. Al di là di una determinata temperatura, le caratteristiche meccaniche del materiale crollano.

Tecniche di lavorazione come la solidificazione direzionale dei componenti, il single-crystal (creazione di componenti monocristallini a base di cobalto o nichel) hanno consentito di fare uno step di 200-300 °C nella capacità dei materiali di resistere alle alte temperature.

Tuttavia, ciò che copre la differenza tra le capacità refrattarie di un materiale e le esigenze del ciclo termodinamico è il raffreddamento.

Si definisce un parametro importante in questo senso, detto efficacia di raffreddamento:

Al numeratore si ha la differenza tra temperatura del gas e quella del componente, al denominatore invece quella del gas e quella del raffreddamento che si ha a disposizione.

Quali sono le tecnologie di raffreddamento adottabili?

Tra i metodi di raffreddamento, si può pensare di aumentare le superfici di scambio termico, di far percorrere al flusso d’aria percorsi tortuosi e micro-canali, sfruttare turbolenze: se il flusso esce molto caldo, ciò vuol dire che si è sottratto parecchio calore e che si sta raffreddando bene.

Sulle turbine di alta pressione, si riutilizza l’aria per creare un film tra il flusso e la parete, metodo estremamente efficace perché il processo di convezione vede una temperatura molto inferiore.

Queste tecnologie di raffreddamento sono altamente strategiche per le aziende aerospaziali in quanto permettono di alzare la temperatura massima del ciclo, aumentando le prestazioni.

In questo senso, un notevole aiuto potrebbe provenire dall’additive manufacturing e dalle sue applicazioni negli heat exchangers, ad esempio.

Sealing

Con il termine “sealing”, ossia tenuta, si intende quella feature che permette di minimizzare i passaggi di flusso tra due zone che operano in condizioni di pressione differenti.

Nel motore vi sono diverse tipologie di tenute, funzionali per vari aspetti:

1. Evitare aria indesiderata, altrimenti si consumerebbe troppa aria;
2. Scongiurare il passaggio di aria calda in punti critici;
3. Ovviare alla contaminazione tra fluidi.

Il problema delle tenute utilizzate in ambito aeronautico riguarda le elevatissime temperature di esercizio, quindi i materiali di cui sono composte non sono quelli comunemente impiegati (come la plastica). Inoltre, i movimenti relativi tra i componenti sono talmente grandi da causare spostamenti anche di centimetri, le tenute devono comunque continuare a lavorare efficientemente.

Alle estremità delle palette si utilizzano tenute a labirinto. Sulla parte rotante si creano delle dentature, mentre sulla parte statica si usa del materiale in grado di lasciarsi far asportare. In questo modo ha origine la guida dove poi lavora il dente e si ottiene un percorso contorto per il flusso che perde energia.

Un’altra tipologia sono le brush-seal, tenute a spazzola, abbastanza efficaci ma critiche allo stesso tempo in quanto soggette a usura.

Durante la fase iniziale del motore si effettua un ciclo volutamente forzato in cui questi denti asportano del materiale, scavano e creano così la loro sede di funzionamento. Questo è fattibile con geometrie particolari, dove il rilascio di calore per attrito rimane controllato e non causa la rottura del dente. Si crea così una struttura a labirinto estremamente efficace.

Clearances Control

Da un punto di vista aerodinamico, se consideriamo una turbina, le distanze con cui lavorano le parti rotanti sono decimi di millimetri e bisogna essere in grado di controllare queste distanze.

Lo scenario termico prima analizzato comporta la deformazione dei componenti e spostamenti anche millimetrici. Il rotore sale maggiormente, lo statore si deforma: le aree di passaggio inizialmente previste cambiano e bisogna ricalcolare i nuovi passaggi in loop.

Si parla di “clearances control“, in alcuni grafici è possibile visualizzare gli spostamenti relativi del diametro del rotore e del casing in funzione della fase di volo:

Le due curve rappresentano il comportamento del casing e della parte rotorica che seguono andamenti differenti. Infatti, le tempistiche di risposta ad un’accelerazione sono diverse, il rotore risente immediatamente dell’effetto del centrifugo e l’inerzia del sistema è differente.

Occorre quindi considerare un gap minimo tra la parte rotorica e quella statorica che prende il nome di desired running clearance.

Sistema olio

L’olio è un fluido molto importante all’interno del motore aeronautico in quanto può essere impiegato per lubrificare, sottrarre calore, proteggere dalla corrosione componenti delicati, quali denti della gearbox e cuscinetti.

Attraverso analisi computazionali fluidodinamiche, si analizzano simulazioni di getti dell’olio sulle parti desiderate per comprendere gli effetti sui componenti e per investigare sul raffreddamento prodotto.

Si può dire che il sistema olio rappresenti il sistema linfatico del nostro motore: analizzando come funziona l’olio è possibile dedurre come sta operando il motore.

Il sistema olio è un circuito chiuso, costituito da tre grandi sottosistemi:

• Sistema di alimentazione (feed system): preleva l’olio dal tank e lo pompa verso le utenze dopo averlo preventivamente scambiato con il fuel o l’aria;
• Sistema di ritorno (scavange system): dopo che l’olio va sul cuscinetto, ad esempio, schizza in varie direzioni e viene raccolto nel cosiddetto scavange. In seguito, con una pompa viene mandato nel tank nuovamente. Una parte dell’olio rimane nella gearbox, disperso in particelle di 50 micron;
• Vent System: si occupa del prelievo dell’aria contaminata dall’olio. Questa è poi ripulita attraverso una cartuccia che ruota a 18,000 rpm. L’effetto centrifugo agisce diversamente in base alla densità dell’olio e dell’aria, separandoli.

Il vent system è divenuto fondamentale per via degli stringenti vincoli imposti sulla percentuale di olio presente nell’aria, che deve essere azzerata per questioni di impatto ambientale.

Se questo argomento vi ha particolarmente interessato, potrebbe incuriosirvi il nostro articolo su altri sistemi fondamentali nella gestione di un motore aeronautico: i sistemi di controllo digitali.