Il turbofan....risposte tecniche

[mirko2289]

Salve a tutti sono nuovo del forum e vi faccio i complimenti intanto per il sito. volevo farvi un pò di domande e spero di ricevere qualche risposta.

1) vorrei sapere che pressioni, temperature e velocità ci possono essere all'interno di un turbofan (compressore bassa pressione - compressore alta pressione - camera di combustione - turbina alta pressione - turbina bassa pressione - ugello)

2) poi vorrei sapere effettivamente cosa succede in ogni passaggio, cioè nel compressore l'aria aumenta di pressione, diminuisce di volume....e la velocità e la temperatura? nella camera di combustione si alza la temperatura e poi? pressione, volume e velocità? nella turbina invece diminuisce la pressione e la temperatura, e aumenta di volume espandendosi, con conseguente aumento di velocità che fa girare forte la turbina giusto? e nell'ugello invece? dato che nella turbina c'è stato questo aumento di volume, piano piano che si avvicina all'uscita dell'ugello aumenta la pressione per poi diminuire dopo l'uscita e far aumentare la velocità che da la spinta giusto?

3) nei turbofan si usa il BPR ma non capisco dove viene immessa questa aria che viene trattata solo dal fan anteriore. Viene immessa subito dopo la turbina o all'uscita dell'ugello? Che utilità ha?

spero proprio di aver scritto bene e che mi sono fatto capire. aspetto le vostre risposte ben precise. Grazie mille in anticipo a presto

[87Nemesis87]

Salve a tutti sono nuovo del forum e vi faccio i complimenti intanto per il sito. volevo farvi un pò di domande e spero di ricevere qualche risposta.

Ciao mirko, benvenuto nel forum, allora...per la 1) non lo sò perchè non ho i dati precisi, ma per la 2) e la 3) posso provare a darti una risposta :

2)

nel compressore l'aria aumenta di pressione, diminuisce di volume....e la velocità e la temperatura? nella camera di combustione si alza la temperatura e poi? pressione, volume e velocità?

nel compressore:
poichè la pressione aumenta, la velocità del flusso d'aria diminuisce, mentre la temperatura aumenta

nella camera di combustione si alza la temperatura e poi? pressione, volume e velocità?

nella camera di combustione:
immettendo il combustibile nel flusso d'aria già molto caldo, lo accendi e provochi un aumento considerevole della sua energia, la pressione aumenta considerevolmente e di conseguenza il flusso tende ad espandersi aumentando ulteriormente la sua velocità mentre procede verso le turbine

nella turbina invece diminuisce la pressione e la temperatura, e aumenta di volume espandendosi, con conseguente aumento di velocità che fa girare forte la turbina giusto?

si è più o meno cosi, parte della energia del flusso ( prevalentemente cinetica ) viene utilizzata per far muovere la turbina che a sua volta fa muovere il compressore. Poichè viene sottratta energia al flusso, pressione, temperatura e velocità si riducono

e nell'ugello invece? dato che nella turbina c'è stato questo aumento di volume, piano piano che si avvicina all'uscita dell'ugello aumenta la pressione per poi diminuire dopo l'uscita e far aumentare la velocità che da la spinta giusto?

l'ugello viene strutturato in modo da aumentare ulteriormente la velocità del flusso, la pressione non aumenta, ma aumenta il volume, mentre la temperatura continua a dimunuire; in pratica si cerca di convertire tutta l'energia del flusso ( il più possibile ) in energia cinetica

3) nei turbofan si usa il BPR ma non capisco dove viene immessa questa aria che viene trattata solo dal fan anteriore. Viene immessa subito dopo la turbina o all'uscita dell'ugello? Che utilità ha?

l'aria più fredda del fan, viene immessa sia all'interno della camera di combustione sia all'ugello ( o in modo separato, o unendo i due flussi ) l'utilità è molteplice:

- riduce le temperature interne evitando di raggiungere picchi troppo alti che potrebbero fondere o danneggiare qualche componente

- all'interno della camera di combustione, riduce la temperatura e aiuta l'accensione della miscela aria/combustibile

- rende il motore aerodinamicamente più efficiente in quanto è stato studiato che conviene accelerare di poco una grande massa d'aria, piuttosto che accelerare di molto una massa d'aria piccola. Seguendo la prima ideologia avrai dei motori con un consumo ridotto, ma prestazioni limitate (alto BPR); seguendo la seconda ideologia avrai dei motori notevolmente performanti, ma meno efficienti a livello di consumi (basso BPR)

inoltre ti allego tre video che sono molto utili per capire il funzionamento di un motore a getto e del BPR







e una immagine che mostra come varia la pressione all'interno del motore ( purtroppo non ne ho trovate altre che mostrano altri parametri



spero di aver risposto in modo corretto e averti chiarito un pò di dubbi, per domande più sullo specifico ti conviene aspettare utenti più specializzati ed esperti in materia di quanto lo sono io

[mirko2289]

Grazie mille per le risposte sei stato molto preciso e chiaro... l'unica cosa che non mi è chiara è che tu hai scritto:

nel compressore:
poichè la pressione aumenta, la velocità del flusso d'aria diminuisce, mentre la temperatura aumenta

e poi però hai detto:

nella camera di combustione:
immettendo il combustibile nel flusso d'aria già molto caldo, lo accendi e provochi un aumento considerevole della sua energia, la pressione aumenta considerevolmente e di conseguenza il flusso tende ad espandersi aumentando ulteriormente la sua velocità mentre procede verso le turbine

prima hai detto che con l'aumento di pressione la velocità diminuisce e poi invece nella camera di combustione che aumenta notevolmente la pressione ma aumenta anche la velocità. come mai??? il volume non dovrebbe diminuire con l'aumento di pressione??? spiegami bene che sono tosto di capoccia.....

[87Nemesis87]

ooops...mi sono sbagliato dalla velocità di scrivere, volevo dire la temperatura aumenta considerevolmente

sorry ^__^''

[mirko2289]

a ecco perfetto ora mi è più chiaro... ...però non capisco come fa nella camera di combustione ad aumentare la pressione e allo stesso tempo il volume....

[87Nemesis87]

eh appunto...

come ho scritto sopra mi sono sbagliato nella fretta ,nella camera di combustione, non la pressione, ma la temperatura aumenta e di conseguenza aumenta il volume

[JT8D]

Non è un turbofan, ma un turbojet puro, ma il concetto principale non varia: in questo schema trovi l'andamento di Temperatura, Velocità e Pressione del flusso all'interno del motore:



Considera anche il diagramma p-v del ciclo che trovi a pagina 3 di questo approfondimento (e dai anche una lettura al tutto) :

http://www.md80.it/wp-content/uploads/2 ... i-base.pdf

Analizando tutto ciò si cui sopra hai già le risposte alle tue domande. Nel compressore noi andremo ad aumentare la pressione del fluido (e naturalmente si innalzerà anche la sua temperatura), ma non aumenterà la velocità. Anche nella camera di combustione è indispensabile che la velocità del flusso non sia troppo elevata, dato che ciò impedirebbe una combustione corretta, e infatti si rallenta ulteriormente il flusso prima dell'ingresso in camera di combustione: nelle camere la pressione rimarrà costante (infatti si ha nel ciclo in questione una combustione a pressione costante) ed avremo naturalmente un innalzamento della temperatura. La sussegente espansione avviene in parte sulle turbine, dove il lavoro del fluido sulle turbine servirà ad azionare compressore e fan, e la rimanente nell'ugello, dove si completa l'espansione cercando di accelerare il più possibile il fluido. In generale, dove è richiesto che il fluido decelleri (acquistando pressione) ci saranno passaggi di sezione divergente, dove è necessario che il fluido acceleri (perdendo pressione) ci saranno passaggi di sezione convergente.

Il BPR (By-Pass Ratio) è un parametro che indica, in un motore a doppio flusso, il rapporto la massa d'aria del flusso freddo, accelerata quindi dal fan e che non passa attraverso il core del motore, e la massa che invece
attraversa il core del motore (flusso caldo). Poi questi due flussi possono essere indirizzati a due ugelli separati (turbofan a flussi separati), o miscelati ed espulsi in un singolo ugello (turbofan a flussi associati).

Paolo

[mirko2289]

Grazie Paolo per la risposta e soprattutto per il grafico che mi hai postato, veramente bello. Ma a quanti RPM gira il compressore a bassa pressione-turbina bassa pressione e il compressore alta pressione-turbina alta pressione?

[Zapotec]

Grazie Paolo per la risposta e soprattutto per il grafico che mi hai postato, veramente bello. Ma a quanti RPM gira il compressore a bassa pressione-turbina bassa pressione e il compressore alta pressione-turbina alta pressione?

Guarda che bella tabellina
http://www.boeing-727.com/Data/engine/engdata.html

(per la tua risposta Nota 7 & 8 )

Ovviamente poi dipenderà da motore a motore

ciao !

[JT8D]

Grazie Paolo per la risposta e soprattutto per il grafico che mi hai postato, veramente bello. Ma a quanti RPM gira il compressore a bassa pressione-turbina bassa pressione e il compressore alta pressione-turbina alta pressione?

Naturalmente dipende da motore a motore. Tanto per fare qualche esempio, riferendosi a propulsori JT8D-217 come quelli che equipaggiano l'ottantone, il 100% di N1 (gruppo LP) corrisponde a 8219 rpm, il 100% di N2 (gruppo HP) corrisponde a 12245 rpm. Per un Turbofan più moderno (e con un BPR decisamente più elevato) come il CFM56-5B (che equipaggia i velivoli A320 Family), al 100% di N1 la velocità del gruppo è di 5000 rpm, al 90 % di N1 4500 rpm; il 100% di N2 corrisponde a 14460 rpm, il 90% di N2 a 13014 rpm.

Paolo

[aircraftfire]

Aggiungo un paio di grafici con:

• temperatura (°K), pressione (kg/cm^2) e velocità (m/s) in turbofan a basso rapporto di diluizione e flussi miscelati Soloviev D30KU-154 (installato sul Tu-154 e confrontabile con il P&W JT8D). La linea continua si riferisce al core, la linea a tratti al fan.
  http://flic.kr/p/bCMUuw

• temperatura (°F) e pressione (psia) in un turbofan ad alto rapporto di diluizione GE CF6-50. La linea continua si riferisce al core, la linea a tratti al fan. I valori in basso sulla scala (59°F/14,7 psia) sono la temperatura e la pressione ambiente standard.
  http://flic.kr/p/bCMmEY

[Eurostar]

Ciao a tutti, volevo sapere se esiste un "limite" del rapporto di diluizione (BPR) per cui un motore può essere inteso ad alto o basso rapporto di diluizione.

[JT8D]

Ciao a tutti, volevo sapere se esiste un "limite" del rapporto di diluizione (BPR) per cui un motore può essere inteso ad alto o basso rapporto di diluizione.

Non esiste un limite formalmente stabilito per cui un motore si possa definire High BPR. Diciamo che "storicamente" le classificazioni tendono a stabilire come High BPR un motore con Bypass Ratio da 5:1 in su. Però alcuni testi (e pure Wiki se cerchi) stabiliscono da 4:1 in su.

Quindi, come vedi, non c'è un limite vero e proprio.

Paolo

[Eurostar]

Grazie Paolo. Immaginavo non ci fosse un numero "fisso", ma un ordine di grandezza mi aiuta a capire quando leggo un testo.

Un ulteriore domanda. Da quel che ho capito, esistono motori turbofan a flussi incrociati e separati. Nel motore a flussi incrociati, il flusso freddo e quello caldo vengono miscelati in un ugello, quindi espulsi. Nei motori a flussi separati, invece, il flusso caldo attraversa un ugello, mentre quello freddo viene scaricato subito dopo la ventola. E' così?

Guardando un motore è possibile capire se è a flussi incrociati o separati. Mi sembra che, i motori a flussi incrociati, abbiano solo uno scarico, mentre per quelli a flussi separati mi sembra di vedere un ugello dove viene scaricato il flusso caldo contornato da un altro scarico che immagino essere quello del flusso freddo.

RR_BR725_on_Gulfstream_G650_(1).jpg

800px-Easyjet_thrust_reversers_arp.jpg

[JT8D]

Più che di flussi incrociati parlerei di flussi associati

Sì, una delle classificazioni dei turbofan è a flussi associati o a flussi separati. Come dice il nome, nei motori a flussi associati il flusso freddo viene miscelato con quello caldo che esce dalla turbina, prima che siano espulsi in un unico ugello. In quelli a flussi separati vi sono due ugelli distinti per il flusso caldo e quello freddo.

Quello nella prima foto (è un Rolls-Royce BR700 su un Gulfstream G650) è a flussi associati. Il secondo è un CFM56-5B di un A319, a flussi separati. Corretta la tua indicazione dei flussi caldo e freddo sulla seconda immagine.

Paolo

[Eurostar]

Grazie Paolo, molto interessante.

Poiché l'appetito vien mangiando , faccio una altra domanda. C'è una correlazione tra alto e basso BPR e flussi associati o separati? In pratica, è più facile che un motore a flussi separati abbia anche alto BPR e viceversa oppure non c'è alcuna correlazione e si possono trovare svariati casi?

[JT8D]

Parlando in generale, dal punto di vista del rendimento la teoria dimostra che c'è un lieve vantaggio per la soluzione a flussi associati, che però presenta la problematica del peso: infatti occorre valutare il maggior peso aggiuntivo di questa soluzione.

Questo porta a preferire sui motori moderni, con BPR sempre più elevato, la soluzione a flussi separati.

Paolo

[Inoz]

Una domanda per il gentilissimo Paolo. La foto del motore del 319 con gli inversori di spinta aperti mi ha incuriosito.
Gli inversori sono piú efficaci nel motore a flussi associati o non c'é differenza?
Sembrerebbe (magari mi sbaglio essendo un profano) che, in quello a flussi separati, gli inversori siano alimentati dal solo flusso freddo. Il flusso caldo non "rema contro" la frenata?
Grazie.

P.S. Se necessario, spostate il mio quesito in discussioni generiche.
Ciao e buone feste a tutti.

[Inoz]

Su Wikipedia c'é un Fokker F70 con due "conchiglioni aperti" che deviano tutto il flusso.

Chissà a quale stress termico sono sottoposti i materiali...

Credo che, a causa dell'elevato bpr, la spinta all'indietro del solo flusso freddo sia di un ordine di grandezza più alta di quella in avanti generata dal flusso caldo non deviato e che gli inversori "freddi", anche se non più efficaci, siano comunque preferibili a quelli "caldi" (piú semplici e piú sicuri).
Mi sbaglio?

[JT8D]

Su tutti i moderni turbofan ad alto bpr i reverse sono solo sul flusso freddo, che è quello decisamente preponderante. Mettere i reverse anche sul flusso caldo sarebbe un aggravio inutile a livello di complicazione e maggior peso, visto il piccolo contributo che esso dà alla spinta.

Anche sui turbofan a flussi associati attuali i reverse agiscono solo solo flusso freddo. Vedi ad esempio lo schema in questo post, che si riferisce ai V2500 che equipaggiano gli A320 Family:

viewtopic.php?f=48&t=8360&p=470233#p462330

Sui motori di vecchia concezione con BPR molto basso, come i JT8D degli Md80 o i RR TAY dei Fokker, come quelli della tua foto, si utilizzavano reverse a conchiglia che andavano a deviare l'intero flusso.

Paolo

[Inoz]

Grazie mille.
Prometto di non disturbarvi più con domande le cui risposte sono contenute nei vecchi post che, per mancanza di tempo o per pigrizia, non sono andato a leggere.
I migliori auguri di Buon Natale a tutti voi che tenete vivo questo sito e questo forum rispondendo pazientemente anche a noi curiosi.

[JT8D]

Nessun disturbo, figurati . Solo che mi ricordavo di aver già messo lo schema nel forum, così sono andato a recuperarlo .

Buon Natale anche a te

Paolo