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Il motore aeronautico

IL CUORE DELL'AEROMOBILE

Diminuire l’impatto dell’aeromobile sull’ambiente significa concentrarsi su quello che è il suo cuore tecnologico, il motore. Esso fornisce la spinta al velivolo e al tempo stesso produce differenti tipologie di emissioni.

QUALI EMISSIONI

Nel motore aeronautico le principali emissioni generate dal processo di combustione sono di biossido di carbonio (CO2) e di ossidi di azoto (NOx).
Se il quantitativo di CO2 prodotto è direttamente proporzionale alla quantità di combustibile bruciato, la formazione di NOx dipende anche dalle condizioni termiche della camera di combustione: ad esempio, in fase di decollo, quando le temperature nella camera di combustione sono al livello più alto, le emissioni di NOx sono massime.
Inoltre, l’incremento del traffico aereo rende pressante anche l’obiettivo di ridurre il rumore generato dal velivolo in prossimità degli aeroporti.

RIDURRE LE EMISSIONI DI CO2

Per ridurre le emissioni di CO2 è dunque necessario diminuire il quantitativo di combustibile che deve essere bruciato per produrre la spinta necessaria all’aereo.
Un risultato che si può ottenere:

efficienza
peso

  • da un lato aumentando l’efficienza complessiva del motore,
  • dall’altro riducendo il peso dei suoi sotto-sistemi.

Le moderne configurazioni motore sono di tipo Turbofan, un’architettura che prevede lo sdoppiamento in due flussi distinti della portata d’aria che entra nel propulsore:

rapporto di by-pass

  • una parte ridotta di flusso (flusso caldo e veloce) viene elaborata dalla sezione core del motore; essa contribuisce alla spinta in proporzione minima ma fornisce la potenza necessaria per mettere in rotazione la turbina e il fan;
  • la restante parte (flusso freddo e lento) viene accelerata dal fan nel condotto di by-pass ed espulsa.

Il rapporto tra il flusso freddo e il flusso caldo è definito come rapporto di by-pass.
Considerando che la spinta è il prodotto tra la portata di aria che entra nel motore e la sua accelerazione, se si aumenta il volume d’aria che può essere elaborato dal fan, a parità di spinta si può ridurre la quantità di flusso caldo e veloce e quindi i consumi di combustibile.
Questo è il motivo per cui la prima naturale evoluzione degli attuali motori Turbofan è verso nuove configurazioni con elevato rapporto di by-pass. Negli ultimi anni il rapporto di by-pass è stato incrementato progressivamente. I propulsori di ultima generazione hanno rapporti di circa 10 e sono in studio configurazioni motore con portate fredde fino a 20 volte superiori a quelle elaborate dal core del motore.

Il limite a questo incremento, e quindi alla riduzione del consumo di combustibile, è da ricercare:

  • nell’aumento della resistenza aerodinamica del motore installato sul velivolo,
  • nell’incremento del peso dei componenti di bassa pressione,
  • nella ridotta efficienza della turbina di bassa pressione vincolata a un numero di giro non ottimale nel caso di fan con diametri elevati.

RIDURRE LE EMISSIONI DI NOX

La maggior parte dei NOx prodotti dal processo di combustione è dovuta alla combinazione dell’azoto e dell’ossigeno dell’aria ad alte temperature.

Se l’incremento dell’efficienza termica delle nuove configurazioni motore da un lato garantisce la riduzione delle emissioni di CO2, dall’altro può risultare svantaggioso in termini di emissioni di NOx senza lo sviluppo di specifiche tecnologie di combustione.

Lean-Burn

La tecnologia più promettente si chiama Lean-Burn, una configurazione di combustore che prevede un alto rapporto tra aria e quantità di combustibile nella zona in cui la fiamma viene generata, limitando la temperatura di picco e il tempo di permanenza ad alte temperature.

La principale sfida tecnologica del Lean-Burn risiede nella capacità di mantenere la stabilità della fiamma e garantire la riaccensione in quota.







NUOVE ARCHITETTURE MOTORE

Questi i motivi che hanno spinto la comunità aeronautica a cercare nuove soluzioni dal punto di vista delle architetture motore in grado di consentire un elevato rapporto di by-pass:

  • l’Advanced Turbofan Engine, che massimizza l’efficienza dell’attuale configurazione motore aumentando il rapporto di by-pass, introducendo materiali leggeri per le sezioni di bassa pressione e incrementando l’efficienza termica della sezione core del motore;
  • l’Open Rotor, che porta al massimo livello l’efficienza propulsiva grazie all’impiego di eliche controrotanti esterne. Questa soluzione presenta importanti sfide per l’elevato livello di emissioni acustiche previste;
  • il Geared Turbofan, in cui la velocità della turbina di bassa pressione e del fan vengono svincolate e poste nelle condizioni di massima efficienza, grazie a un sistema di riduzione integrato nel motore.