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Motori Come funziona un motore a reazione? Cos’è la spinta? Parti di un motore a reazione Il primo motore a reazione – Una breve storia dei primi motori Tipi di motori a reazione Turboprop Turbofan Turboshafts Ramjet Motori

Come funziona un motore a reazione?

I motori a reazione fanno avanzare l’aereo con una grande forza che è prodotta da una spinta tremenda e fa volare l’aereo molto velocemente.

Tutti i motori a reazione, che sono anche chiamati turbine a gas, funzionano sullo stesso principio. Il motore aspira l’aria nella parte anteriore con una ventola. Un compressore aumenta la pressione dell’aria. Il compressore è fatto con molte lame attaccate ad un albero. Le pale girano ad alta velocità e comprimono o spremono l’aria. L’aria compressa viene poi spruzzata con del carburante e una scintilla elettrica accende la miscela. I gas che bruciano si espandono e fuoriescono attraverso l’ugello, nella parte posteriore del motore. Mentre i getti di gas sparano all’indietro, il motore e l’aereo vengono spinti in avanti. Mentre l’aria calda va verso l’ugello, passa attraverso un altro gruppo di pale chiamato turbina. La turbina è collegata allo stesso albero del compressore. La rotazione della turbina fa girare il compressore.

L’immagine qui sotto mostra come l’aria scorre attraverso il motore. L’aria passa attraverso il nucleo del motore e intorno al nucleo. Questo fa sì che una parte dell’aria sia molto calda e un’altra più fredda. L’aria più fredda si mescola poi con l’aria calda nell’area di uscita del motore.

Questa è un’immagine di come l’aria scorre attraverso un motore

Cos’è la spinta?

La spinta è la forza che spinge in avanti il motore e, quindi, l’aereo. Sir Isaac Newton scoprì che per “ogni azione c’è una reazione uguale e contraria”. Un motore utilizza questo principio. Il motore aspira un grande volume d’aria. L’aria viene riscaldata, compressa e rallentata. L’aria è forzata attraverso molte lame rotanti. Mescolando quest’aria con il carburante del jet, la temperatura dell’aria può raggiungere i tremila gradi. La potenza dell’aria viene usata per far girare la turbina. Infine, quando l’aria esce, spinge all’indietro fuori dal motore. Questo fa sì che l’aereo si muova in avanti.

Parti di un motore a reazione

Ventola – La ventola è il primo componente di un turbofan. La grande ventola che gira aspira grandi quantità d’aria. La maggior parte delle pale della ventola sono fatte di titanio. Poi accelera quest’aria e la divide in due parti. Una parte continua attraverso il “nucleo” o centro del motore, dove viene agita dagli altri componenti del motore.

La seconda parte “bypassa” il nucleo del motore. Passa attraverso un condotto che circonda il nucleo fino alla parte posteriore del motore dove produce gran parte della forza che spinge l’aeroplano in avanti. Quest’aria più fredda aiuta a calmare il motore, oltre ad aggiungere spinta al motore.

Compressore – Il compressore è il primo componente del nucleo del motore. Il compressore è composto da ventole con molte pale e attaccate ad un albero. Il compressore comprime l’aria che entra in esso in aree progressivamente più piccole, con conseguente aumento della pressione dell’aria. Questo si traduce in un aumento del potenziale energetico dell’aria. L’aria schiacciata viene forzata nella camera di combustione.

Combustore – Nel combustore l’aria viene miscelata con il combustibile e poi accesa. Ci sono fino a 20 ugelli per spruzzare il combustibile nel flusso d’aria. La miscela di aria e carburante prende fuoco. Questo fornisce un flusso d’aria ad alta temperatura e ad alta energia. Il combustibile brucia con l’ossigeno nell’aria compressa, producendo gas caldi in espansione. L’interno del combustore è spesso fatto di materiali ceramici per fornire una camera resistente al calore. Il calore può raggiungere i 2700°.

Turbina – Il flusso d’aria ad alta energia che esce dal combustore va nella turbina, facendo ruotare le pale della turbina. Le turbine sono collegate da un albero per far girare le pale del compressore e per far girare la ventola di aspirazione nella parte anteriore. Questa rotazione prende una parte dell’energia dal flusso ad alta energia che viene usata per azionare la ventola e il compressore. I gas prodotti nella camera di combustione si muovono attraverso la turbina e fanno girare le sue pale. Le turbine del jet girano migliaia di volte. Sono fissate su alberi che hanno diverse serie di cuscinetti a sfera tra di loro.

Ugello – L’ugello è il condotto di scarico del motore. Questa è la parte del motore che produce effettivamente la spinta per l’aereo. Il flusso d’aria impoverito di energia che ha passato la turbina, in aggiunta all’aria più fredda che ha bypassato il nucleo del motore, produce una forza quando esce dall’ugello che agisce per spingere il motore, e quindi l’aereo, in avanti. La combinazione dell’aria calda e dell’aria fredda viene espulsa e produce uno scarico che provoca una spinta in avanti. L’ugello può essere preceduto da un miscelatore, che combina l’aria ad alta temperatura proveniente dal nucleo del motore con l’aria a bassa temperatura che è stata bypassata nella ventola. Il miscelatore aiuta a rendere il motore più silenzioso.

Il primo motore a reazione – Una breve storia dei primi motori

Sir Isaac Newton nel XVIII secolo fu il primo a teorizzare che un’esplosione incanalata all’indietro poteva spingere una macchina in avanti ad una grande velocità. Questa teoria era basata sulla sua terza legge del moto. Come l’aria calda soffia all’indietro attraverso l’ugello, l’aereo si muove in avanti.

Henri Giffard costruì un dirigibile che era alimentato dal primo motore aereo, un motore a vapore a tre cavalli. Era molto pesante, troppo pesante per volare.

Nel 1874, Felix de Temple, costruì un monoplano che volò solo un breve salto giù da una collina con l’aiuto di un motore a vapore alimentato a carbone.

Otto Daimler, alla fine del 1800 inventò il primo motore a benzina.

Nel 1894, l’americano Hiram Maxim tentò di alimentare il suo triplo biplano con due motori a vapore a carbone. Volò solo per pochi secondi.

I primi motori a vapore erano alimentati da carbone riscaldato ed erano generalmente troppo pesanti per il volo.

L’americano Samuel Langley fece un modello di aereo che era alimentato da motori a vapore. Nel 1896, riuscì a far volare un aeroplano senza pilota con un motore a vapore, chiamato Aerodrome. Volò per circa 1 miglio prima di esaurire il vapore. Poi cercò di costruire un aereo a grandezza naturale, l’Aerodrome A, con un motore a gas. Nel 1903, si schiantò subito dopo essere stato lanciato da una casa galleggiante.

Nel 1903, i fratelli Wright volarono, The Flyer, con un motore a gas di 12 cavalli di potenza.

Dal 1903, anno del primo volo dei fratelli Wright, alla fine degli anni ’30 il motore a combustione interna alternativo a gas con un’elica fu l’unico mezzo usato per spingere gli aerei.

È stato Frank Whittle, un pilota britannico, a progettare e brevettare il primo motore turbo jet nel 1930. Il motore di Whittle volò per la prima volta con successo nel maggio 1941. Questo motore aveva un compressore multistadio e una camera di combustione, una turbina a uno stadio e un ugello.

Allo stesso tempo che Whittle stava lavorando in Inghilterra, Hans von Ohain stava lavorando su un progetto simile in Germania. Il primo aereo ad utilizzare con successo un motore a turbina a gas fu il tedesco Heinkel He 178, nell’agosto 1939. Fu il primo volo al mondo con motore a turbogetto.

General Electric costruì il primo motore a reazione americano per l’aereo a reazione della US Army Air Force. Era l’aereo sperimentale XP-59A che volò per la prima volta nell’ottobre 1942.

Tipi di motori a reazione

Turbojet

L’idea di base del motore turbojet è semplice. L’aria presa da un’apertura nella parte anteriore del motore viene compressa da 3 a 12 volte la sua pressione originale in un compressore. Il carburante viene aggiunto all’aria e bruciato in una camera di combustione per aumentare la temperatura della miscela fluida a circa 1.100°F a 1.300° F. L’aria calda risultante viene fatta passare attraverso una turbina, che aziona il compressore. Se la turbina e il compressore sono efficienti, la pressione allo scarico della turbina sarà quasi il doppio della pressione atmosferica, e questo eccesso di pressione viene inviato all’ugello per produrre un flusso di gas ad alta velocità che produce una spinta. Aumenti sostanziali della spinta possono essere ottenuti impiegando un postbruciatore. Si tratta di una seconda camera di combustione posizionata dopo la turbina e prima dell’ugello. Il postbruciatore aumenta la temperatura del gas davanti all’ugello. Il risultato di questo aumento di temperatura è un aumento di circa il 40% della spinta al decollo e una percentuale molto più grande alle alte velocità una volta che l’aereo è in volo.

Il motore a turbogetto è un motore a reazione. In un motore a reazione, i gas in espansione spingono con forza contro la parte anteriore del motore. Il turbogetto aspira l’aria e la comprime o la spreme. I gas fluiscono attraverso la turbina e la fanno girare. Questi gas rimbalzano indietro e sparano fuori dalla parte posteriore dello scarico, spingendo l’aereo in avanti.

Turboprop

Un motore a turboprop è un motore a reazione collegato a un’elica. La turbina sul retro è fatta girare dai gas caldi, e questo fa girare un albero che aziona l’elica. Alcuni piccoli aerei di linea e da trasporto sono alimentati da turboprop.

Come il turbogetto, il motore a turboelica è composto da un compressore, una camera di combustione e una turbina; la pressione dell’aria e dei gas viene utilizzata per far funzionare la turbina, che poi crea potenza per azionare il compressore. Rispetto a un motore a turbogetto, il turboprop ha una migliore efficienza di propulsione a velocità di volo inferiori a circa 500 miglia all’ora. I moderni motori a turboelica sono dotati di eliche che hanno un diametro minore ma un numero maggiore di pale per un funzionamento efficiente a velocità di volo molto più elevate. Per adattarsi alle più alte velocità di volo, le pale sono a forma di scimitarra con bordi d’attacco arretrati sulle punte delle pale. I motori con tali eliche sono chiamati propulsori.

Immagine del motore a turboelica

Turbofan

Un motore turbofan ha una grande ventola nella parte anteriore, che aspira aria. La maggior parte dell’aria fluisce all’esterno del motore, rendendolo più silenzioso e dando più spinta alle basse velocità. La maggior parte degli aerei di linea di oggi sono alimentati da turboventole. In un turbogetto tutta l’aria che entra nell’aspirazione passa attraverso il generatore di gas, che è composto da compressore, camera di combustione e turbina. In un motore turbofan solo una parte dell’aria in entrata va nella camera di combustione. Il resto passa attraverso un ventilatore, o un compressore a bassa pressione, e viene espulso direttamente come un getto “freddo” o mescolato con lo scarico del generatore di gas per produrre un getto “caldo”. L’obiettivo di questo tipo di sistema di bypass è di aumentare la spinta senza aumentare il consumo di carburante. Si ottiene questo aumentando il flusso totale di massa d’aria e riducendo la velocità all’interno della stessa fornitura totale di energia.

Immagine del motore turbofan

Turboshafts

Questa è un’altra forma di motore a turbina a gas che funziona come un sistema turboprop. Non guida un’elica. Invece, fornisce potenza al rotore di un elicottero. Il motore turbo-albero è progettato in modo che la velocità del rotore dell’elicottero sia indipendente dalla velocità di rotazione del generatore di gas. Questo permette di mantenere costante la velocità del rotore anche quando la velocità del generatore viene variata per modulare la quantità di potenza prodotta.

Immagine del motore a turbogetto

Ramjet

Il ramjet è il motore a reazione più semplice e non ha parti mobili. La velocità del getto “incalza” o forza l’aria nel motore. È essenzialmente un turbogetto in cui le macchine rotanti sono state omesse. La sua applicazione è limitata dal fatto che il suo rapporto di compressione dipende interamente dalla velocità di avanzamento. Il ramjet non sviluppa alcuna spinta statica e pochissima spinta in generale al di sotto della velocità del suono. Di conseguenza, un veicolo a getto d’aria richiede una qualche forma di decollo assistito, come un altro aereo. È stato utilizzato principalmente nei sistemi di missili guidati. I veicoli spaziali usano questo tipo di getto.

Immagine del motore Ramjet