Ugello
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L'ugello è il componente dei motori a reazione nel quale si ha trasformazione di energia termica in energia cinetica al fine di produrre la spinta mediante l'espulsione di fluido propulsivo ad alta velocità. Tale trasformazione avviene attraverso un processo di espansione, per cui detta trasformazione risulta controllata dalla pressione. Il comportamento dell'ugello può essere studiato in prima approssimazione attraverso le equazioni del flusso quasi–monodimensionale, sotto le ipotesi di flusso isoentropico, stazionario, di un fluido propulsivo assimilabile ad un gas ideale. La geometria dell'ugello stabilisce la portata in massa di fluido che può scorrere attraverso il motore. Si utilizzano differenti tipi di ugello a seconda delle applicazioni. In particolare, nelle applicazioni aeronautiche (cioè nei differenti motori della famiglia dei getti), l’ugello è posizionato a valle della turbina, ed il suo ruolo, pur rimanendo qualitativamente lo stesso, risulta quantitativamente diverso seconda che il motore sia uno statoreattore, un turbogetto, un turboventola, un turboelica od un turboalbero. Infatti nello statoreattore l’intero salto entalpico (energia ceduta dalla corrente al motore, la quale è usata per la propulsione) viene sfruttato nell'ugello, mentre nei turbogetti resta solo il salto entalpico residuo dopo la turbina, che lo impiega per trascinare il compressore. L'entità del salto entalpico utilizzato in turbina risulta maggiore per i turboventola (nei quali la turbina deve azionare, oltre al compressore, anche la ventola), ed in particolare nei turboelica rappresenta, come abbiamo visto, l'80 o 90% del salto entalpico disponibile. Nei turboalbero, poi, l'intero salto entalpico disponibile è utilizzato in turbina, per cui in questo caso l’ugello funge semplicemente da condotto di scarico. Per queste applicazioni aeronautiche, attualmente un notevole sforzo è dedicato a ridurre il rumore derivante dal getto di scarico. In questo contesto, è stato recentemente proposta l'adozione dei cosiddetti chevron nozzles, ovvero dei flabelli sul bordo esterno che concorrono significativamente alla miscelazione dello scarico con l'atmosfera e che consentono di ridurre significativamente la rumorosità con una perdita di spinta limitata allo 0,25% circa. In ogni caso il flusso all’uscita della turbina si trova pressione più elevata di quella ambiente, ed bassa velocità (regime subsonico). Lo studio dei flussi quasi-unidimensionali isentropici indica che per accelerare questo flusso subsonico la geometria del condotto deve essere "convergente".
Se il flusso nella sezione di gola, al termine della parte convergente dell'ugello, risulta critico (numero di Mach pari ad uno), per poter continuare l'espansione è necessario ricorrere ad un'ulteriore porzione di ugello, questa volta con pareti divergenti (si ricordi che per un flusso supersonico la velocità aumenta se l'area della sezione cresce). Quindi per accelerare il flusso a velocità supersoniche occorre un condotto convergente-divergente, il cosiddetto ugello de Laval.
[modifica] Struttura di un ugello
È possibile individuare quattro zone: il convergente, la regione di gola, la zona di espansione e la zona di conversione del flusso in una corrente uniforme e parallela all'asse dell'ugello.
All'interno del convergente il fluido è dotato di una velocità bassa, di conseguenza la progettazione di questa parte dell'ugello segue le leggi dei flussi subsonici, con l'obiettivo di realizzare un condotto assialsimmetrico, con superfici prive di irregolarità.
All'interno della regione di gola il fluido inizia ad accelerare, per poi aumentare ulteriormente la propria velocità attraverso l'espansione che si realizza nella tratta di condotto che segue. A questo punto il fluido ha raggiunto una velocità supersonica, con onde di espansione che si propagano lungo il condotto e si riflettono sulle pareti.
L'ultima parte dell'ugello è conformata in modo da non riflettere le onde che incidono sulle pareti, in modo da ottenere una corrente uniforme in direzione assiale, minimizzando la componente di velocità in direzione radiale, che non dà contributo alla spinta.
[modifica] Ugelli a geometria variabile
Negli aeroplani ad alte prestazioni, come per esempio gli aerei militari, soprattutto quelli da caccia, si impiegano ugelli a geometria variabile. Questi sono particolari ugelli dove il tratto divergente è formato da petali, di solito all'esterno sono visibili come un cono convergente, i quali hanno la possibilità di muoversi, facendo in modo che la sezione d'uscita, ma soprattutto la sezione di gola, si restringa o si allarghi al variare della pressione esterna.
Sarebbe molto proficuo poter usare questo tipo di ugelli anche nel campo spaziale, soprattutto in vista del fatto che un veicolo spaziale si trova ad operare in condizioni assai diverse, attraversando le varie zone dell'atmosfera, ma purtroppo peso, ingombro e complessità ne limitano l'impiego al settore aeronautico.
