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Il geared turbofan: una struttura innovativa per un motore aeronautico

Inserendo un apposito ingranaggio tra il compressore e la turbina di un turbofan è possibile migliorarne il funzionamento e le prestazioni

Categorie Aviazione · SpaceMix

Tra i motori a reazione più usati in ambito aeronautico troviamo il turbofan. Questo tipo di motore, accelerando l’aria in uscita dall’ugello di scarico, sfrutta il principio di azione e reazione per produrre la spinta. Esistono numerosi parametri che caratterizzano un motore aeronautico ed è necessario considerare varie caratteristiche per ottenere un motore con le migliori prestazioni possibili. Una struttura innovativa, che prevede l’inserimento di un ingranaggio epicicloidale tra il compressore e la turbina, permetterebbe di migliorare le prestazioni di un turbofan.

Funzionamento di un turbofan, il principale motore aeronautico

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Schema di un turbofan

Un turbofan tradizionale è caratterizzato da una ventola in posizione frontale che aspira l’aria. Il flusso d’aria viene poi elaborato all’interno del motore in modo tale che al momento dell’espulsione abbia le caratteristiche migliori. La particolarità di un turbofan, a differenza di altri motori aeronautici, consiste nel fatto che dopo aver aspirato l’aria dall’ambiente divide il flusso in due parti. In questo modo, solo una parte dell’aria aspirata attraversa tutti componenti del motore, mentre la restante va direttamente all’ugello di scarico. La separazione dell’aria in due flussi viene effettuata con lo scopo di ridurre la velocità di uscita dei gas, per poter diminuire in consumi e aumentare il rendimento. In un turbofan, infatti, per ottenere la spinta è preferibile avere basse velocità di espulsione dei gas, compensate da una maggiore portata di aria.

La struttura di un geared turbofan

Una volta aspirato dall’ambiente, il flusso d’aria che attraversa i componenti del motore passa in un compressore e in seguito in una turbina. Questi ultimi sono collegati allo stesso albero, quindi lavorano alla stessa velocità di rotazione. Le rispettive velocità ottimali però sono diverse, perché il compressore lavora meglio a basse velocità, mentre per la turbina sono accettabili anche velocità di rotazione elevate. Per permettere a entrambi di lavorare alla velocità ottimale, in un geared turbofan si inserisce un ingranaggio epicicloidale che ha lo scopo di ridurre la velocità di uscita dell’albero dalla turbina al compressore.

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Confronto tra un turbofan tradizionale e un geared turbofan

Se la velocità del compressore diminuisce vuol dire che quest’ultimo può essere costruito con un diametro più grande e sarà quindi in grado di aspirare una portata di aria maggiore. Di conseguenza, avendo una portata maggiore di aria, a parità di spinta si ha una velocità di scarico inferiore. Quindi, disaccoppiando le velocità del compressore e della turbina con un sistema epicicloidale, complessivamente si hanno delle prestazioni migliori.

Possibili architetture per un geared turbofan

Costruire un fan dal diametro più grande è vantaggioso dal punto di vista propulsivo, ma introduce nuove difficoltà. La classica posizione del motore sotto l’ala, infatti, risulta più complicata se le dimensioni sono eccessive. Sono state suggerite nuove architetture per poter posizionare il motore in modo tale che l’aerodinamica del velivolo non danneggi le prestazioni. Tra le proposte, c’è quella di Lockheed Martin una struttura di ala chiusa a riquadro. Invece il Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha ideato un velivolo soprannominato “doppia bolla”, con il motore non sulle ali ma nella parte posteriore della fusoliera.

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Velivolo “Double bubble”. Credits: MIT

Dal punto di vista propulsivo, un geared turbofan è un motore aeronautico più efficiente. Per superare i limiti dati dall’installazione e dall’aerodinamica è necessario studiare nuove architetture, meno tradizionali di quelle attuali. Le soluzioni attuali non sono molte, ma in ogni caso, superando le difficoltà legate all’installazione, un geared turbofan risulterebbe molto più vantaggioso rispetto a un motore tradizionale.

FONTI VERIFICATE

PRATT & WHITNEY – Geared Turbofan

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