“Le macchine più affascinanti mai realizzate”: Come funzionano i motori a reazione

Quando sali a bordo di un aereo, potresti aver notato quel piccolo vortice, o hashish bianco, proprio al centro del motore, che gira lentamente come un’illusione ottica. Dietro quel vortice c’è probabilmente il pezzo di ingegneria più complesso mai progettato: Uno dei motori a reazione che alimenta il vostro aereo.

“Non c’è contatto metallo su metallo. Possono andare per migliaia di ore – 60.000 ore – dipendendo solo da aria e carburante. I componenti sono incredibilmente duraturi”, ha detto il dott. Magdy Attia, professore di ingegneria aerospaziale alla Embry-Riddle Aeronautical University.

Ho parlato con il dott. Attia e James Speich, direttore marketing di Pratt & Whitney Commercial Engines, per capire come funziona un motore a reazione.

Attia è un esperto di lunga data in ingegneria aerospaziale; ha diversi brevetti aerospaziali a suo nome insieme a una serie di pubblicazioni con revisione paritaria. Gestisce anche una struttura di ricerca sulle turbine a gas all’università. Speich è un ingegnere meccanico che è stato con Pratt per 45 anni; si è fatto le ossa lavorando sui primi modelli al computer di motori a reazione e sul PW4000, il successore del primo motore Pratt progettato per il Boeing 747. Di più su questo più tardi.

Penso che siamo in buone mani qui.

Prima le cose importanti: Un sacco di aria. Davvero tanta.

I motori a getto funzionano fondamentalmente aspirando aria, molta aria, mescolandola con il carburante ed espellendo i gas risultanti dalla parte posteriore a grande velocità. Questo muove il motore in avanti per reazione, così come l’aeroplano collegato ad esso.

Ma non è proprio così che funzionano i motori a reazione di oggi. Infatti, la maggior parte della spinta generata da un moderno motore a reazione viene semplicemente spostando un incredibile volume d’aria, tutto in una volta, molto rapidamente. Il 90% dell’aria che entra nei motori passa direttamente attraverso di essi senza essere mescolata con il carburante e accesa. Le pale della ventola nella parte anteriore sono schiave del nucleo del motore – e quel nucleo fa fare a quelle ventole tutto il lavoro pesante.

All’alba del motore a reazione, gli aerei usavano un tipo di motore a reazione che non è più prodotto per usi commerciali: un turbogetto, in cui tutta l’aria aspirata nel motore passa attraverso il suo nucleo. Al giorno d’oggi, i jet usano invece i turbofan, che spingono quasi tutta l’aria che ingeriscono intorno al nucleo del motore. Sono più silenziosi e molto più efficienti dei turbojet.

I più grandi jet di linea in servizio oggi hanno motori ad alto bypass, dove c’è un alto rapporto tra l’aria accelerata attraverso il motore – bypassando il nucleo – e l’aria che va nel nucleo del motore stesso. L’enorme diametro di quei motori, come quelli dei Boeing 777, è dovuto alla necessità di avere una ventola gigante nella parte anteriore.

I turboreattori civili hanno smesso di volare con il Concorde, che addirittura utilizzava qualcosa che si trovava solo su caccia e bombardieri supersonici: i postbruciatori – iniettando letteralmente carburante nello scarico per creare un’enorme spinta – per aiutare l’accelerazione al decollo e, più avanti nel volo, per rompere la barriera del suono.

Di questi tempi non si vedono fiamme sprigionarsi dal retro degli aerei civili al momento del decollo.

L’energia propulsiva è la chiave

La teoria messa in pratica con i turbofan è qualcosa chiamato efficienza propulsiva. È molto più efficiente muovere un grande volume d’aria a velocità relativamente basse che muovere un piccolo volume d’aria a velocità più alte. (Attia mi ha ripetuto questa massima a memoria). “In generale, al decollo, il 70%-80% della spinta è fornita dal bypass e circa il 20% dal nucleo stesso. Quando l’aereo raggiunge l’altitudine di crociera, questo tende verso il 95% – 100% della spinta (essendo) fornita dal bypass”, ha detto Attia. I motori a turbogetto, come quelli del Concorde, non avevano alcun bypass, il che li rendeva molto costosi da gestire. Per far rombare quel jet, i motori dovevano bruciare molto carburante.

Succhia, Spremi, Bang e Soffia

“Succhia, Spremi, Bang, Soffia” è il modo in cui i piloti ricordano le varie fasi di un motore.

Succhio

La ventola nella parte anteriore aspira l’aria. Il 10 per cento di quest’aria va nel cosiddetto “nucleo” del motore. Il 90% viene accelerato e spinto intorno al nucleo.

Succhia

L’aria che è entrata nel nucleo si muove attraverso una serie di piccole lame rotanti attaccate ad un albero chiamato compressore. L’atto di far girare l’aria provoca una coppia, che fa accelerare l’aria e ne aumenta la pressione.

Bang

Il carburante viene poi iniettato nell’aria compressa e acceso in un combustore.

Soffia

Poi, la miscela di gas calda e in rapida espansione passa attraverso un’altra serie di pale, chiamata turbina. Questi gas sono catturati da piccole lame sulla turbina, facendo girare la turbina.

È questa turbina che è incredibile.

La turbina che gira fa girare un albero che fa girare i compressori e fa girare la ventola nella parte anteriore. Un punto chiave: l’intero scopo del nucleo del motore è quello di far girare la ventola nella parte anteriore – non di fornire la maggior parte della spinta stessa.

“La turbina converte l’energia termica generata dalla combustione in energia meccanica. Sono le piccole pale della turbina che girano, e sono collegate a un albero, che è collegato al compressore stesso e alla ventola”, ha spiegato Attia. L’albero della turbina gira a circa 20.000 RPM – che è molto, molto veloce.

Quindi, quanta aria è necessaria per fornire abbastanza movimento in avanti per far funzionare le ali e generare la portanza?

53 camion UPS

Un tipico motore a reazione ingerisce circa 1.500 kg di aria al secondo. La densità dell’aria a livello del mare è di circa 1,2 chilogrammi per metro cubo. Il Dr. Attia ha fatto qualche rapido calcolo a nostro beneficio: un tipico camion UPS è di 23 metri cubi, e di conseguenza, un motore a reazione aspira il volume di circa 53 camion UPS di aria – al secondo.

“È il flusso di massa dell’aria che è la parte più importante dell’equazione della spinta”, ha detto Attia. Speich ha concordato, notando che Pratt & Whitney si è concentrata per 20 anni sull’efficienza propulsiva: “

Le pale della ventola

L’energia creata dalle pale della ventola è sorprendente. E ogni produttore di motori sembra avere un modo colorito per spiegare l’energia catturata in una singola pala. Un produttore ha detto che l’energia in una singola pala del ventilatore in funzione potrebbe lanciare una piccola auto sopra un edificio di sette piani. Un altro: è sufficiente per sollevare nove autobus a due piani (o 13 elefanti toro.)

Le pale della ventola dei motori Pratt sono fatte con una lega di alluminio ad alta resistenza con un bordo d’attacco in titanio. Altri produttori di motori a reazione usano pale cave in titanio o pale avvolte in fibra di carbonio. Curiosità: le stesse pale della ventola sono delle mini ali che generano la portanza.

Una cosa che si nota quando ci si avvicina al motore è quanto le punte della ventola siano vicine all’involucro del motore. Infatti, P&W le ha costruite con una tale precisione che sfregano contro l’involucro interno di gomma solo un po’, millimetri, il che crea un piccolo solco nella gomma. Le tolleranze devono essere incredibilmente piccole.

Punte delle ventole supersoniche e la soluzione del turbofan a ingranaggi

In volo, le pale della ventola girano a circa 3.000 RPM. Più in alto e le punte della ventola iniziano a girare supersonicamente, facendo un enorme rumore sotto forma di un drone penetrante. Al contrario, l’albero a bassa pressione gira a 12.000 RPM e quello ad alta pressione a circa 20.000 RPM. Quindi, come si fa a rallentare questa rotazione – passando da un alto numero di giri nella parte posteriore del motore a un numero di giri inferiore nella parte anteriore?

Torniamo alla progettazione del motore.

Passando proprio attraverso il centro del nucleo è un “albero nell’albero”. Un albero fa girare la turbina di bassa pressione, il compressore di bassa pressione e la ventola, che potete vedere nello schema sopra. Un altro albero fa girare la turbina ad alta pressione e il compressore ad alta pressione. Ogni componente deve ruotare a velocità diverse per ogni stadio.

Per far rallentare la ventola nella parte anteriore, “abbiamo bisogno di più stadi di pressione inferiore per far funzionare la ventola a una velocità più lenta dell’albero ad alta pressione”, ha detto Speich, riferendosi al design convenzionale del motore a due bobine. Queste fasi aggiuntive aggiungono peso e influenzano negativamente l’efficienza del carburante.

E qui entra in gioco il geared turbofan, o GTF. È lo sviluppo più significativo nella tecnologia dei motori negli ultimi 20 anni.

Prima di tutto, col tempo P&W ha capito come fare una scatola degli ingranaggi leggera. Il cambio attuale pesa circa 250 libbre; i primi tentativi erano più vicini alle 600 libbre. L’ingranaggio riduce la velocità di rotazione da tre a uno. Se l’albero a bassa pressione funziona a 10.000 giri al minuto, il riduttore agirà per ridurre la ventola stessa a 3.000 giri al minuto, ma – criticamente – senza aggiungere altri stadi a bassa pressione. Pratt ci sta lavorando da quando Speich è entrato in azienda, e attivamente per 20 anni di test.

“Con l’ingranaggio, si può far girare la ventola più lentamente ma lasciare che il resto dei componenti ruoti alla velocità che è più efficiente per loro”, ha spiegato Speich. A sua volta, c’è bisogno di meno fasi di bassa pressione – e meno peso dei componenti – per far girare la ventola a quella velocità più lenta.

“L’ingranaggio ha comprato la sua strada nel motore”, ha detto Speich. “Tutti quegli insegnamenti… e finalmente oggi la tecnologia si è messa al passo”.

I guadagni di efficienza nel tempo

Speich è in P&W dalla metà degli anni ’70, ed è entrato in azienda subito dopo che P&W ha lanciato il JT9D, che ha alimentato il primo Boeing 747. “Quei primi motori avevano un rapporto di bypass di circa 4,5 a 1”, ha detto Speich. Erano anche fatti con ventilatori in acciaio e componenti in acciaio forgiato, il che era abbastanza pesante.

Confrontate questo con il motore GTF, che vanta un rapporto di bypass di 12 a 1. Il motore è segnalato per offrire il 15% di guadagno in efficienza del carburante. “Questo è enorme in questo spazio”, ha detto Attia con enfasi.

Speich ha notato che la sua azienda sta vedendo guadagni di efficienza migliori del 15%. “Mi ricordo quando colpire un aumento dell’uno o due per cento nell’efficienza del carburante era una miniera d’oro”, ha detto, guardando indietro alla sua carriera nella società. La GTF sta attualmente volando su cinque piattaforme: la serie Airbus A320Neo, l’Airbus A220, i jet E-2 della Embraer, il russo Irkut MC-21 e il Mitsubishi MRJ. (Gli ultimi due non sono ancora in servizio commerciale.) Li volerai negli Stati Uniti con Hawaiian, Delta e Spirit tra gli altri.

“Quando si tratta di aerodinamica, materiali, strutture, fisica… tutto – tutti questi sono spinti ai loro limiti”, ha detto Attia. “Penso che siano le macchine più affascinanti mai realizzate dall’uomo.”

E nel caso ve lo steste chiedendo, il piccolo vortice al centro del muso del motore serve a far sapere – visivamente – se la ventola sta girando o meno.

Mike Arnot è il fondatore di Boarding Pass NYC, un marchio di viaggi con sede a New York, e un pilota privato.

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