Turbina

Lo scopo principale del gruppo turbine in un motore di questo tipo è di convertire l’energia termica dei gas in combustione - grazie al processo di espanzione - in pura energia cinetica. La turbina però ha anche lo scopo di guidare il compressore che sia centrifugo, assiale o misto, per mantenre il ciclo di compressione necessario alla combustione quindi all'espanzione ed infine allo scarico dei gas. La turbina oltre che il compressore alimenta anche tutti gli accessori, come pompe ed alternatore, fino alla trasmissione che muove entrambi i rotori; quello principale e quello di coda di un elicottero; nella formula convenzionale.

Per questo la struttura della turbina ed in particolare le pale che la compongono devono resistere a livelli di stress termo-meccanici estremi. La temperatura di una turbina ne indica le prestazioni e nei casi critici il livello di stress che esse sopportano, infatti la media delle temperature che gli stadi delle turbine possono raggiungere sono dell’ordine di 850°C e possono arrivare fino ai 1700°C, mentre la pressione che esse devono sopportare può raggiungere valori fino alle 50 tonnellate/inch² (6,45 cm²).

E’ facile a questo punto immaginare il motivo per il quale durante tutto il corso del volo, il pilota deve prestare molta attenzione ai parametri che indicano pressione dell'olio e soprattutto temperatura dei gas di uscita della turbina. Per questo la pianificazione del volo è una fase importante del volo, perchè permette di prevedere le condizioni che si possono incontrare durante la missione, in modo da ottimizzare non solo il lavoro aerodinamico della macchina ma sopratutto le prestazioni dei motori.

Cosi come i compressori il gruppo turbine è suddiviso in sezioni organizzate in stadi tra statori e turbine. I primi si frappongono tra due turbine e sono sempre il primo elemento ad essere investito direttamente dal flusso dei gas caldi in espansione proveniente dalla camera di comubstione. Il gruppo turbine è in buona sostanza di due tipi: Le turbine ad impulso e le turbine a reazione, esse si differenzano per il meccanismo attraverso il quale le palette del disco turbina vengono investite dal flusso di gas.

Le turbine ad Impulso permettono di ottenere una elevata velocità mediante la convergenza del gas attraverso i diffusori o statori prima che esso fluisca verso le pale delle turbine, la pressione in quella zona diminuisce man mano che il gas attraversa i vani guida o statori (NGV Nozzle Guide Vane), mentre rimane costante attraverso le turbine perché lo spazio tra le pale è costante. I gas che attraversano le pale dello stadio della turbina subiscono una deviazione nella direzione di rotazione del disco turbina per effetto del secondo principio della dinamica, proprio come l'acqua si comporta colpendo le pale di un mulino.

In altre parole la velocità del flusso rallenta, in quanto parte del potenziale energetico del gas viene ceduto una volta che esso attraversa le palette della turbina, fino all’uscita attraverso lo stadio finale del motore.
Nell’illustrazione è possibile vedere in modo più semplificativo il meccanismo delle pale ad impulso e di come la turbina ad impulso funziona.

In una turbina a Reazione invece il meccanismo è leggermente diverso. I gas si espandono man mano che attraversano gli statori e le pale della turbina. In pratica in questo tipo di turbina si sfrutta il piccolo spazio che esiste tra le pale per ottenere la reazione sostanzialmente opposta all'azione del flusso del gas che la investe e poichè questo meccanismo si basa sulla terza legge della dinamica, risulta chiaro il motivo per il quale si utilizza lo stretto spazio che c’è tra i due stadi convogliano il gas in modo da produrre una reazione risultante dalla azione del flusso, innescando la rotazione della turbina.

Quindi nelle pale a reazione (da non confondere con ilprincipio di funzionamento del motore a reazione) il flusso del gas si muove attraverso gli statori (NGV) che assumono una inclinazione convergente in modo tale che il gas raggiunga il massimo della sua velocità. Questo tipo di turbina sviluppa coppia grazie alla reazione ed alla pressione del flusso. Infatti la pressione cambia man mano che i gas attraversano i vari stadi delle turbine e degli statori. Ecco perchè il funzionamento di questo tipo di palette risponde al terzo principio della dinamica, (Azione e Reazione).

Sebbene queste siano le due principali differenze, in un motore a turbina non vi è mai l'una o l'altra formula, perchè il motore risulterebbe piuttosto inefficiente. In realtà avviene che ogni pala - sia di un turbina che di uno statore - venga progettata in modo da essere alla radice ad Impulso ed all'estremità a Reazione è viceversa. Infatti il flusso che attraversa lo statore gradualmente modifica la corsa del gas in espanzione che è inizialmente impulsivo alla base della pala per diventare reattivo verso la sua l'estremità . I gas che attraversano i rotori degli statori subiscono una accellerazione iniziale per poi essere deviati dalle pale della turbina, che subisce una pressione trasformando il movimento vettoriale dei gas in movimento rotatorio del disco della turbina.

I motori a turbina hanno due differenti architetture, essi possono essere a turbina assiale, o turbina libera. Nel primo caso la turbina è connessa al compressore ma anche direttamente alla trasmissione. Si tratta di un motore molto più semplice come il Turbomeca TM333 impiegato in passato su alcuni elicotteri come i Lama che garantiva ottime prestazioni, semlicità costruttiva ma consumi non molto parsimoniosi. Quel tipo di macchina fantastica ancora in servizio era progettata con un motore semplice e resistente proprio per il suo particolare impiego ad alte quote e per missioni di carico esterno.
Una seconda architettura chiamata turbina libera, invece vede un sistema leggermente più complesso, ma più versatile in cui vi sono due turbine diversificate, una che alimenta costantemente il compressore e l’altra che è disconessa dalla prima, che è invece connessa direttamente alla trasmissione. Questo tipo di motore è definito a turbina libera. Le due turbine lavorano ad una velocità di rotazione differente e la loro velocità può variare leggermente, infatti la turbina del compressore (assiale) può subire leggere oscillazioni, mentre la turbina di potenza o libera deve mantenersi molto più costante, sopratutto ad ogni variazione di collettivo, poiché essa alimenta la trasmissione dei rotori che devono rimanere in un confine di numero di giri predefinito con limitatissime tolleranze.

La potenza scaricata sui rotori dipende strettamente dalla coppia che il motore è capace di generare. Le turbine libere sono particolarmente adatte a macchine multimotore, poiché la velocità dei compressori può essere costantemente regolata in maniera indipendente per mantenere stabile il valore di rotazione della trasmissione attraverso le turbine di potenza (libere) che sono indipendenti dal compressore.

Le turbine assiali invece subiscono le variazioni di rotazione del compressore poichè sono direttamente collegate ad esso e contemporaneamente alla trasmissione, dunque a variazioni del flusso del carburante si avranno variazioni della temperatura e quindi oscillazioni di rotazione del motore nel suo insieme. Questo tipo di motori sono meno reattivi ed il compressore deve essere mantenuto in un raggio molto ristretto per evitarne lo stallo, come ho già spiegato nella sezione dedicata ai compressori.
Il 75% della energia termodinamica prodotta dal flusso che attraversa le turbine viene convertita in energia meccanica, mentre il 25% viene utilizzato per la spinta.

Pale della Turbina

Le pale di una turbina sono elmenti indipendenti al mandrino che le supporta, esse sono fissate ad esso attraverso delle scanalature, in questo modo espandendosi per via del calore si incastrano perfettamente alla guida, adattandosi alle variazioni di volume prodotte dal calore intenso e dalla pressione. In una pala si possono formare crepe o deformazioni, in entrambi i casi si tratta di sollecitazioni prodotte principalmente dalle temperature elevate. Questi spiacevoli eventi possono modificare la lunghezza di una paletta grazie anche alla forza centrifuga e se la temperatura del motore supera i valori operativi il cambiamento degli elementi può diventare permanente.

La forza centrifuga agisce sulle pale della turbina constantemente ed è una componente molto importante poiché le turbine raggiungono velocità di rotazione vicine per difetto ai 20000 giri al minuto e questo elemento tende a stirarle verso l’esterno avvicinando la loro estremità alle pareti cilindriche che contengono la turbina all’interno del motore.

I danni in un motore a turbina non sono reversibili e purtroppo drammaticamente cumulativi!

Uno dei danni che può subire la pala di una turbina oltre alla stiratura o la deformazione permanente, è la lesione che può diventare estremamente pericolosa. La frattura di una paletta di un motore a turbina può raggiungere tre stadi principali.

Nel primo caso si parla di lesione Primaria quando cioè avviene una deformazione causata dall’espansione rapida, provocata solitamente da un avviamento lento, quando cioè il gas in combustione investe la turbina prima ancora che essa abbia raggiunto una velocità di sicurezza, in altre parole quando viene anticipata l’apertura e l’innesco del carburante durante la fase di accenzione.
Una lesione di tipo Secondario si produce in modo costante subito dopo l’iniziale deformazione avvenuta come per il caso sopra descritto.
Infine nel suo ultimo stadio invece ci si riferisce ad una lesione Terziaria. In questa circostanza si avrà una rottura improvvisa della paletta con la formazione di una frattura e questo è un danno molto serio. Si tratta di un danno ad uno stadio finale, quando cioè le cose si sono messe davvero male, infatti si può verificare perfino l'esplosione del motore o la distruzione per il forte sbilanciamento della sua meccanica.
I motori a turbina libera nel caso in cui si porti il motore oltre il limite operativo, quando cioè la velocità della turbina supera il limiti massimi consentiti, può produrre una esplosione dello stadio di potenza, o peggio la rottura dell'albero che connette il motore alla trasmissione e l'unica cosa da fare in queste circostanze è semplicemente entrare in autorotazione e garantirsi un atterraggio di emergenza.

Tenuta delle pale della turbina

Uno dei metodi più diffusi per ottenere un buon livello di compressione, diminuendo al minimo lo spazio tra le pale e le pareti che circondano la turbina, è l’impiego di un meccanismo di sigillatura chiamato labirinto. Si tratta in buona sostanza di un cilindro rotante dotato di scanalature che combaciano tra loro incastrandosi perfettamente senza toccarsi reciprocamente, in modo che il flusso di aria non perda il suo potenziale dinamico e statico. Garantire un livello eccellente di compressione all'interno dei compressori e delle turbine è di vitale importanza, tuttavia non parlimao di pistoni in quest'area, ma di ventole contenute in camere cilindriche tutto sommato.

Dunque i gas che attraversano questi elementi non devono fuoriuscire attraverso perdite o da cattiva sigillatura dei componenti, perchè si perderebbe potenza, l'aria e quindi anche il flusso di gas in combustione mendiante questo meccanismo di tenuta non riesce ad attraversare o passare attraverso le scalanature del labirinto. Questo sistema permette anche una efficace azione di lubrificazione che impedisce all’olio di fuoriuscire dal sistema di cuscinetti e guide (labirinti) che sono tra il rotore della turbina ed il componente fisso dello statore, dove le scalanature come già detto combaciano perfettamente l’una dentro l’altra. Ovviamente il labirinto è progettato con una tolleranza tale da risultare perfettamente efficiente a causa della dilatazione prodotta dalle alte temperature del processo di combustione, ma rimanendo nei limiti cosi da non produrre frizione o attrito tra gli elementi per eccessiva dilatazione.

Vani guida flusso o statori (NGV Nozzle Guide Vane)

Gli NGV (Nozzle Guide Vane) cioè le palette dello statore o vani guida flusso, hanno il compito di trasformare o convertire l’energia latente nella pressione che si genera in quel punto della turbina, causata dalla espansione dei gas caldi in energia cinetica, che si dirige sulle palette delle turbine che come abbiamo già chiarito sopra trasformano a loro volta il moto lineare dei gas in movimento circolare delle turbine, questo perché il gas subisce una deviazione angolare una volta che esso investe le palette delle turbine.
Le turbine raggiungono velocità di rotazione elevatissime e questo perché la velocità del gas in espansione può raggiungere valori dell’ordine di 2500 ft/sec (762 m/sec) ed è estremamente ovvio che in questa area la velocità del suono è virtualmente presente. Per poter assorbire in modo omogeneo l’energia contenuta nei gas in espansione le palette sono costruite con un angolo di torsione o svergolamento lungo la loro lunghezza dalla radice alle estremità, essa ha anche lo scopo di deviare il flusso lateralmente per poter trasformare l'energia termodinamica prodotta dall'espansione e dalla velocità dei gas combusti in energia cinetica.

Il funzionamento del motore a turbina è apparentemente piuttosto semplice, anche se nella relatà i materiali utilizzati sono di prima scelta e richiedono una lavorazione estremamente precisa che preclude a costi esorbitanti. I componenti di un motore del genere sono sottoposti ad estreme condizioni e per questo un motore del genere richiede una costante manuntenzione. A dispetto comunque dei consumi elevati, un motore a turbina è racchiuso in uno spazio contenuto ed ha delle dimensioni e peso ridotte rispetto alla enorme potenza che è in grado di produrre. Un altro vantaggio importante è la fluidità del regime che esso mantiene, infatti a differenza di un motore alternativo, il motore a turbina è in grado di garantire un regime continuativo senza sbalzi alternati sulla meccanica della trasmissione, e questo per gli elicotteri è un fattore molto importante.

Per finire, durante il volo è sempre richiesto un monitoraggio costante sui parametri del motore, in modo particolare la temperatura di entambe le turbine, quella assiale (N1) e quella di potenza (N2) affinchè esse siano sempre all'interno dei parametri operativi. E' molto facile danneggiare un motore del genere sopratutto in fase di avviamento, anche se oggi vi è sempre più una larga diffusione di dispositivi elettronici come il FADEC in grado di avviare il motore automaticamente, gestendolo poi con estrema precisione lungo tutto il corso del volo.

Il motore a turbina è in realtà molto variegato ed ha trovato vari tipi di applicazioni, come propulsore negli aerei di linea, come generatore nelle unità APU, come motore appositamente modificato per alimentare una trasmissione meccanica; proprio come nel caso dell'elicottero e perfino nella propulsione marina vi è spesso la presenza di motori a turbina, in ogni caso essi funzionano allo stesso modo ed attraverso gli stessi meccanismi. Il suono di un motore a turbina è molto particolare, assomiglia ad un urlo costante e può infastidire le orecchie, ma sono sicuro che ad alcuni di voi provoca piacere, perchè se è li in moto allora significa che si è pronti per andare in volo.

©Gino D'Ignazio Gizio