Compressore assiale
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Il compressore assiale è un compressore di gas, solitamente usato nei motori aeronautici, nel quale il fluido scorre per la maggior parte parallelamente all'asse di rotazione. I compressori a flusso assiale sono caratterizzati dalla capacità di gestire da grandi flussi di massa e da alte efficienze, ma anche da piccoli rapporti di compressione (rapporto tra pressione all'uscita e pressione all'imbocco) per singolo stadio (insieme di rotore e statore), al confronto con il compressore centrifugo. I compressori assiali sono grandemente utilizzati accoppiati con le turbine a gas nei motori a getto. Quasi tutti i più potenti motori di oggi sono a flusso assiale, mentre i motori più compatti, come le APU (motori ausiliari) od i motori di elicottero o autoarticolato, sono a flusso centrifugo.
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[modifica] Descrizione
Un tipico compressore assiale possiede un rotore, un disco con palettatura, seguito da uno statore, simile al rotore nella forma ma fisso al telaio. L'accoppiamento di uno statore e di un rotore (l'ordine dipende dal motore) è detto stadio. Il Junkers Jumo 004 (1943), uno dei primissimi turbogetti, possedeva otto stadi, il Lyul'ka AL-21F (primi anni 60') ne possedeva ben 14, il General Electric J79 (fine anni 50') addirittura 17. I moderni motori a getto invece, migliorando il rapporto di compressione di un singolo stadio grazie all'impiego di materiali più adatti e dall'aerodinamica più raffinata, possiedono un numero di stadi più limitato, sebbene utilizzino due (o più) compressori in serie, il compressore di bassa pressione ed il compressore di alta pressione. Il Klimov RD-33 (anni 70') usa 4 stadi per la ventola e 9 per il compressore, l'Eurojet EJ200 (anni 90') invece 4 per la ventola ed appena 5 per il compressore.
Ogni girante, il disco che contiene le palette del rotore, ha un diametro più piccolo del precedente, dato che attraverso la compressione il volume di aria si riduce mentre procede nel compressore.
In un motore a getto il compressore è mosso da una turbina posta davanti allo scarico della camera di combustione. La turbina utilizza quindi una parte dell'energia liberata dalla combustione per muovere il compressore, tipicamente dal 60 al 65%, la frazione rimanente di energia viene impiegata nell'ugello di scarico per generare la spinta propulsiva.
[modifica] Teoria
Il comportamento di uno stadio di un compressore assiale nelle ipotesi semplificative di componente di velocità radiale nulla e componente di velocità assiale costante, è illustrato in figura, dove si distinguono: l'ingresso nel rotore con u con pedice t indicante la velocità tangenziale assoluta di entrata e con pedice a la velocità assiale assoluta di entrata. Analogamente per w, la velocità relativa al rotore mobile. Le velocità relative allo statore mostrano il pedice 2.
Osservando la figura si può notare (così come si può ricavare dall'analisi dei triangoli di velocità) che nel rotore le palette divergono, così che il flusso nel sistema di riferimento del rotore si comporta come in un condotto divergente (diffusore). Analogamente anche la palettatura dello statore è divergente per permettere la conversione di energia cinetica in energia termica.
Come nel compressore centrifugo, anche nel caso del compressore assiale si può ricavare che la potenza è proporzionale al quadrato della velocità di rotazione.
- Il singolo stadio di un compressore assiale può produrre solo un salto di pressione molto basso (1,15 - 1,30) senza rischiare instabilità o ridurre eccessivamente il rendimento (forti gradienti di pressione negativi nel flusso tra le pale, simile a quello in un diffusore).
- Il compressore assiale si presta bene al pluristadio: il flusso in uscita dallo statore è già pronto per l'ingresso nello stadio successivo.
Le palette debbono essere sverglate, cioè presentare un diverso angolo rispetto alla corrente a seconda della distanza della sezione dal centro di rotazione. Infatti la velocità relativa tra corrente e paletta cambia a seconda di questa distanza (la velocità lineare di rotazione è infatti data dalla formula v = r × ω, dove v è la velocità lineare, r il raggio o meglio la distanza dal centro di rotazione ed ω la velocità angolare, o il numero di giri al secondo moltiplicato per la lunghezza di un giro, 2π).
[modifica] Sviluppo
I primi compressori assiali offrivano una efficienza assai limitata, talmente limitata che nei primi anni 20' si pensava che in pratica un motore a getto fosse impossibile da costruire. Ma le cose cambiarono radicalmente quando Alan Arnold Griffith pubblicò un saggio nel 1926, nel quale si affermava che responsabili della scarsa efficienza del compressore erano le palette piatte usate all'epoca, le quali stallavano a qualsiasi numero di giri. Le prime palette infatti erano semplici "piastrelle", mentre lo studio di Griffith mostrava il vantaggio di palette a sezione alare, cioè spesse vicino il bordo d'attacco e appuntite sul bordo d'uscita. Il suo studio mostrava un diagramma dove una seconda turbina muoveva un'elica.
Sebbene Griffith fosse molto ben conosciuto per i suoi primi studi sulla fatica dei metalli e le misure degli sforzi, svolse ben poco lavoro direttamente connesso al saggio del 1926. L'unica conseguenza immediata fu un prototipo di compressore costruito da un collega di Griffith al RAE, Haine Constant. I primi tentativi di motore a getto, se si eccettuano quelli di Henri Coandă e di Giovanni Battista Caproni (si veda il motoreattore), vennero eseguiti da Frank Whittle e da Hans von Ohain utilizzando il più conosciuto compressore centrifugo, ampiamente impiegato per la sua robustezza, compressione, leggerezza e bassa inerzia, per i turbocompressori dei motori a pistoni.
Griffith valutò il lavoro di Whittle nel 1929, scartandolo come null'altro che un errore matematico ed affermò che una sezione frontale tanto grande sarebbe stata un ostacolo insormontabile per un aereo ad alte prestazioni.
Il vero lavoro sui compressori assiali iniziò negli anni 30'. In Inghilterra Haine Constant raggiunse un accordo con una compagnia di turbine a vapore, la Metropolitan Vickers (od anche Metrovick), nel 1937, iniziando a dirigere i suoi sforzi verso il motore turboelica, basato sulle idee di Griffith, nel 1938. Nel 1940, dopo i successi del motore centrifugo di Whittle, Constant iniziò a lavorare sul getto puro, il Metrovick F.2.
In Germania Hans von Ohain aveva già prodotto diversi motori centrifughi, alcuni di questi avevano anche volato, ma tutti gli sviluppi furono poi indirizzati verso i Junkers ed i BMW a compressore assiale.
Negli Stati Uniti d'America sia Lockheed Corporation che General Electric vinsero commesse per la fornitura di motori a getto assiali, prima turbogetti e poi turboeliche. Anche la Northrop lavorò ad un proprio turboelica, che la Marina comprò nel 1943. Persino la Westinghouse entrò nella competizione nel 1942 con il J30.
Negli anni 50' praticamente tutti i motori più potenti erano dotati di un compressore assiale. Come Griffith aveva rilevato nel 1929, il più elevato ingombro assiale del compressore centrifugo era causa di una resistenza aerodinamica eccessiva rispetto al più stretto compressore assiale. Inoltre il compressore assiale poteva garantire eccellenti rapporti di compressione semplicemente aggiungendo degli stadi, creando un motore leggermente più lungo.
Per quanto riguarda il compressore centrifugo, questo è molto più semplice da disegnare, è più corto, più leggero e garantisce prestazioni inarrivabili per singolo stadio. Questo è il motivo per il quale è utilizzato su elicotteri ed APU, dove l'ingombro totale ed il peso giocano un ruolo meno marginale.
[modifica] Motori a getto a flusso assiale
Nelle applicazioni sui motori a getto, il compressore si trova ad affrontare una grande varietà di condizioni operative. A terra, durante il decollo, la pressione (statica) all'imbocco è elevata, mentre la velocità di imbocco è nulla ed il compressore attraversa una grande varietà di velocità quando viene azionato. Una volta in volo la pressione (statica) all'imbocco scende, ma la velocità, sempre all'imbocco, sale a causa del movimento dell'aeroplano, recuperando parte della pressione ed il compressore tende a girare a velocità di rotazione costante per lunghi periodi di tempo.
Semplicemente non esiste un compressore che si adatti a tutti questi stati di funzionamento. I compressori a geometria fissa, come quelli montati sui primi motori a getto, avevano un rapporto di compressione piuttosto limitato, circa 4 o 5 ad 1. Come per qualunque motore a combustione, il consumo specifico è fortemente in relazione con il rapporto di compressione, così vi fu una forte necessità economica nel migliorare gli stadi del compressore oltre questi rapporti di compressione.
Oltretutto il compressore poteva stallare se le condizioni all'imbocco cambiavano improvvisamente, un problema comune nei primi motori. In alcuni casi, se lo stallo avveniva vicino all'imbocco del motore, tutti gli stadi da quel punto in poi smettevano di comprimere l'aria. In questa situazione l'energia richiesta per far girare il compressore diminuiva rapidamente (dato che il compressore non compiva lavoro) e quindi l'aria calda rimanente a valle del combustore faceva girare ancora più velocemente la turbina e ciò che questa trascinava, ovvero il compressore stesso. Questa condizione, conosciuta come surging (o surge in inglese), fu uno dei problemi più importanti nei primi motori e poteva portare le giranti della turbina o del compressore a ruotare tanto velocemente da staccarsi dall'albero ed essere scagliate fuori dal motore.
Per queste ragioni i compressori assiali sono considerevolmente più complessi di quelli dei primi turbogetti.
[modifica] Alberi
Praticamente tutti i motori moderni sono concepiti con due compressori, il primo a bassa pressione ed un secondo di alta pressione (eventualmente anche tre). Ogni compressore è mosso dal proprio albero, trascinato a sua volta da una turbina, rispettivamente di bassa o di alta pressione. Questo sistema consente di aumentare l'efficienza del motore.
[modifica] Spillamento del flusso, statori a geometria variabile
Quando un aeromobile cambia velocità o quota, varia di conseguenza la pressione dell'aria all'imbocco del compressore. Per fare in modo che il compressore si adatti alle varie condizioni, sin dagli anni 50' si è cominciato a spillare (ovvero sottrarre) aria a metà del compressore; in questo modo il carico di lavoro del compressore diminuisce e si evita che negli ultimi stadi vi sia un volume eccessivo di aria. Questo accorgimento è sfruttato in particolar modo all'avviamento del motore, infatti è comprensibile che quando gli stadi rotorici inizino a ruotare non comprimano il flusso alla massima efficienza, cosicché negli stadi finali il volume d'aria sarebbe troppo grande se una parte non ne fosse spillata. La parte di aria spillata viene impiegata anche per raffreddare le palette della turbina, l'organo più sollecitato sia meccanicamente che termicamente. Le palette sono cave all'interno e le più sofisticate posseggono fori per la circolazione dell'aria. Infine l'aria del compressore viene usata sia per pressurizzare la cabina, per l'aria condizionata e soprattutto per fornire pressione al sistema idraulico di bordo (il sistema che consente di muovere le superfici mobili, i carrelli e così via).
Un disegno più avanzato, a statore variabile, usa palettature che possono essere ruotate individualmente attorno al loro asse, in opposizione all'asse di potenza del motore. Per l'avviamento possono essere ruotate per "aprire", riducendo la compressione, per poi essere ruotate indietro verso il flusso a seconda delle condizioni esterne. Il General Electric J79 è il primo esempio di statore a geometria variabile, ed oggi è una caratteristica comune di molti motori militari.
Chiudendo progressivamente gli statori variabili, mentre la velocità del compressore diminuisce, si riduce la pendenza della curva di stallo (o di pompaggio) della macchina, migliorando il margine di lavoro della macchina. Incorporando statori variabili nei primi cinque stadi, la General Electric ha sviluppato un compressore assiale a dieci stadi in grado di operare ad un rapporto di compressione di 23:1.
[modifica] Più flussi
Per le applicazioni dei motori a getto, l'idea è quella di muovere aria per generare potenza. Nella maggior parte dei casi, il motore produce più potenza per muovere aria di quanta in effetti, a livello strutturale, ne possa realmente muovere. In pratica, l'ingresso al compressore è semplicemente troppo piccolo per muovere tutta l'aria che il motore potrebbe, in teoria, riscaldare ed usare.
Alcuni progetti hanno sperimentato l'utilizzo di una frazione della potenza disponibile alla turbina per pilotare una ventola secondario per un flusso di aria aggiuntivo, iniziando con il Metrovick F.3, che montava una ventola sul retro di un vecchio motore Metrovick F.2. Una soluzione molto più pratica è stata attuata da Rolls-Royce per il suo motore Conway nei primi anni 50', in cui si ingrandì il primo stadio del compressore fino a che questo non divenne più grande dello stesso motore. Ciò ha permesso al compressore di pompare aria fredda all'interno del motore, ma all'esterno della camera di cobustione e della turbina, in modo simile ad un elica intubata. Questa tecnica permette al motore di essere progettato per produrre l'energia richiesta, e tutta l'aria che non può passare attraverso il motore a causa della sua dimensione, è semplicemente intubata all'esterno. Poiché l'aria non è eccessivamente compressa, questa viene mossa senza sottrarre molta energia alla turbina, permettendo un flusso simile ad un motore a getto più grande. Questo motore è chiamato "turboventola".
Questo sistema, miscelando un flusso freddo con quello caldo proveniente dalla turbina, introduce anche il beneficio di abbassare la temperatura dei gas di scarico. Dato che il rumore di un turbogetto è fortemente in relazione con la temperatura del gas di scarico, il sisetema di diluizione riduce sensibilmente anche il rumore del motore. I primi aeroplani di linea a getto degli anni 60' erano famigerati per il loro assordante "urlo", mentre i moderni motori turboventola, malgrado incrementino le prestazioni, sono molto meno rumorosi.
