Propulsione aerea/Capitolo X°

Turboelica

La turbina a gas può essere impiegata per azionare l'elica aerea; sono sorti così i gruppi turboelica per l'aeronautica.

Lo schema di un tale gruppo è schizzato in fig.58;esso non differisce in sostanza da quello di fig.34; al posto del generatore elettrico vi è l'elica.

Il compressore può essere assiale (come in figura), centrifugo o misto; il miscuglio di aria e gas combusti dalle camere di combustione va alla turbina che ne estrae quasi tutta la energia relativa al salto T₂ - T'₃; buona parte di essa, precisamente quella relativa al salto T'₁ - T₀, viene assorbita dal compressore mentre la rimanente è ceduta all'elica (fig.36).

Poiché i giri del propulsore sono moderati (nell'ordine dei 1500/min) rispetto a quelli della turbina (dell'ordine dei 10000/min) necessita un potente riduttore tra turbina ed albero porta elica.

Per i turboelica è universalmente impiegata la turbina aperta senza recupero né combustione supplementare; ciò per regioni di leggerezza, ingombro, manutenzione dello scambiatore e semplicità generale dell'impianto.

La massa dei gas è fatta effluire dall'ugello di scarico con velocità leggermente superiore a quella d'ingresso; se V è la velocità di efflusso ed m' la portata massica si ha in aggiunta alla trazione dell'elica la spinta supplementare m' (v-V) per reazione diretta; ad essa corrispondente la potenza utile m' (v-V) V. In queste valutazioni è stato trascurato il piccolo aumento di m' dovuto al combustibile. Il contributo della reazione diretta sulla potenza totale è del 10÷20%, tutt'altro che trascurabile.

Il rendimento propulsivo del getto è dello stesso ordine di grandezza dell'elica poiché la differenza (v-V) è moderata. Quanto è stato detto per le eliche al Cap.VII continua naturalmente a valere per i turboelica; alla trazione

$\ T=\eta _{c}{\frac {\Pi }{V}}$

dell'elica si aggiunge la spinta supplementare del getto m'(v-V). Non si ritiene necessario insistere su questi aspetti facilmente dimostrabili con l'impiego dell'equazione dell'energia.

Il turboelica si presenta assai più semplice del motoelica ed ancor più del compound.

Il turboelica non necessita di essere sovralimentato poiché la portata d'aria in gioco è circa 4÷5 volte quella del motore alternativo.

Desiderando una certa potenza ad una data quota necessita scegliere adeguatamente un turboelica di maggiore potenza a quota zero.

Alle alte velocità il rapporto di compressione globale aumente per effetto dell'auto-compressione.

Avanzamento|25%|31 ottobre 2013}}

Potenze-Peso-ingombro-consumi

Le potenze massime continuative ottenute col gruppo alternativo si aggirano sui 3000 C.V. con peso specifico sui 600÷700 grammi C.V.; il gruppo, completo di elica, carenature, accessori, ecc., installato viene a pesare sui 900 grammi/C.V.

Esistono turboelica di migliaia di cavalli in servizio e sono in prova gruppi di 10000 C.V.con peso inferiore ai 400 grammi C.V..

La potenza per m² di superficie frontale è dell'ordine dei 2000 C.V/m² per i gruppi alternativi di grande potenza, mentre per i turboelica è all'incirca tripla.

Il consumo dei turboelica è sui 280÷320 gr/C.V,h, a bassa quota, abbastanza più alto di quello dei gruppi alternativi; questo è dovuto ai rapporti di compressione piuttosto bassi (4÷6) degli attuali compressori mentre per i gruppi alternativi si hanno valori di

$\ {\frac {p_{1}}{p_{0}}}$

su 10 ed oltre; il consumo predetto si riferisce a turbine senza recupero e diminuisce leggermente con la quota per i motivi detti a suo tempo.

confronto tra motoelica e turboelica

Il turboelica ha soppiantato i motoelica, compresi i compound.

La giustificazione si basa sulle seguenti considerazioni di ordine generale:

1. il peso del turboelica, a parità di potenza, èp più basso dei motoelica (circa il 50÷60 %)#
2. il consumo di lubrificante è minimo data l'assenza di organi striscianti
3. è eliminata la necessità di radiatori o comunque di disposizioni per il raffreddamento del gruppo (salvo un piccolo radiatore per l'olio)
4. l'ingombro frontale a parità di potenza è circa la terza parte di quella dei motoelica
5. la potenza spesa per il raffreddamento è radicalmente eliminata e quella per l'avanzamento è ridotta tanto più quanto più alta è la velocità di volo nei riguardi dei motoelica
6. è eliminato del tutto qualsiasi organo alternativo; il funzionamento è molto più dolce ed i fenomeni di fatica dei materiali sono di minore entità
7. il combustibile è un buon petrolio invece di benzina ad alto numero di ottano; il pericolo d'incendio è quindi praticamente nullo
8. il tempo ed il costo di realizzazione in serie sono notevolmente inferiori a quelli del tipo alternativo perché il turboelica ha un minore numero di parti di disegno più semplice.

Per contro

1. necessità di un riduttore più potente
2. non è possibile la sovralimentazione in quota.

La superiorità del turboelica sul motoelica appare ancora maggiore se il confronto viene fatto a parità di velivolo, cioè tra due velivoli che si prefiggono gbli stessi scopi. Il confronto tra due gruppi isolati non dice tutto; in aeronautica il confronto deve essere fatto globalmente in vista degli scopi perché deve tenersi conto dell'effetto del gruppo motopropulsore sull'efficienza aerodinamica e strutturale del velivolo.

Le dimensioni ridotte, la mancanza di radiatori, la forma molto penetrante dei turboelica hanno permesso di aumentare notevolmente l'efficienza aerodinamica del velivolo e questo equivale a risparmio di potenza per una prefissata velocità; quindi minor costo totale.

Il confronto appare ancora più vantaggioso per i grandi velivoli; si ricordi infatti che la potenza massima di un gruppo alternativo è sui 3000 C.V. mentre è possibile avere turboeliche di 6000÷10000 C.V..

Questo significa che si possono costruire turboelica invece di quadrimotori ed esamotori con notevolissimo aumento dell'efficienza aerodinamica e strutturale, della semplicità di impianto, della sicurezza di funzionamento, ecc..

Si è detto che per avere una certa potenza in quota necessita scegliere turboelica di maggiore potenza a bassa quota; questo non comporta aumento di peso in quanto le potenze specifiche dei turboelica sono molto più alte dei motoelica; la maggiore potenza disponibile a bassa quota migliora potentemente le qualità di decollo e di salita.

Per il turbo di grande potenza necessitano eliche gigantesche; sono realizzate in proposito eliche doppie controrotanti, ciascuna di 4 pale, del diametro di circa 5÷6 m per potenze di 10000÷15000 C.V..