Sviluppo di un modello termodinamico di un turbogetto

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i risultati ottenuti mediante la programmazione del software e confrontandoli con 
i risultati ottenuti mediante i metodi analitici . 
Il turbogetto semplice che si è preso in esame è il Viper 600 series della Rolls 
Royce . 
Esso è il più potente della linea 600 series . I miglioramenti al sistema di 
combustione ha fatto sì che la spinta sia gradualmente aumentata del 15 per 
cento rispetto alle versioni precedenti. 
Storia 
I primi studi in merito al turbogetto iniziarono in Gran Bretagna ed in Germania 
negli anni trenta, anche se il motore a getto nel senso più ampio del termine fu il 
motoreattore del rumeno Henri Coandă (ma il motore non era un turboreattore).I 
primi veri motori turbogetto vennero collaudati al banco di prova nel 1937, sia in 
Gran Bretagna che in Germania. Il 27 agosto del 1939 volò il primo aeromobile 
con motore turbogetto, l'Heinkel He 178, propulso dal motore Heinkel-Hirth HeS 
3B. I due ingegneri dietro al progetto erano Hans von Ohain, Germania, e Frank 
Whittle, Gran Bretagna. I primi aeroplani operativi entrarono in servizio verso la 
fine della seconda guerra mondiale con i caccia tedeschi Messerschmitt Me 262. 
Anche gli inglesi avevano approntato il Gloster Meteor, ma non fu mai impiegato 
in azioni belliche. Le potenzialità di queste macchine spinsero al 
perfezionamento ed alla ricerca nel campo della propulsione a getto. Così 
Durante la fine degli anni 50 e anni 60 vi è stata una significativa 
razionalizzazione di tutti gli aspetti del settore aerospaziale 
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britannico e questo include i costruttori di motori aeronautici, culminando con la 
fusione di Rolls-Royce e Bristol Siddeley nel 1966 (Bristol Siddeley era essa 
stessa risultato della fusione di Armstrong Siddeley e Bristol nel 1959). Bristol 
Siddeley, con la sua principale fabbrica a Filton, vicino a Bristol, ha una forte 
base nei motori militari, incluso l'Olympus, Viper, Pegasus e Orpheus. Essi 
hanno anche fabbricato l'Olympus 593 Mk610 per il Concorde. L'Armstrong 
Siddeley Viper, poi Bristol Siddeley Viper e Rolls-Royce Viper era un motore 
aeronautico turbogetto sviluppato e prodotto dall'azienda britannica Armstrong 
Siddeley e successivamente dalle aziende che le successero, la Bristol Siddeley 
e la Rolls-Royce Limited. Entrato in servizio nel 1953, il Viper era uno sviluppo in 
scala ridotta dotato di un compressore assiale a 7 stadi del precedente 
Armstrong Siddeley Sapphire, destinato inizialmente a motorizzare un drone 
bersaglio, l'australiano GAF Jindivik, e prodotto a questo scopo con materiali di 
qualità inferiore a quelli normalmente utilizzati in quanto destinato a non essere 
recuperato e revisionato. Questa scelta si rivelò troppo conservativa 
costringendo l'azienda a riutilizzare materiali di elevata qualità. A questo punto il 
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motore poteva essere offerto per motorizzare addestratori avanzati quali il BAC 
Jet Provost ed il suo derivato da attacco al suolo BAC 167 Strikemaster. 
L'operazione si rivelò positiva tanto da continuare ad offrire il Viper ad un 
mercato internazionale. Dal 1953 al 2004 vennero prodotte circa 6000 unità. 
In Italia il Viper 680 ( l’ultima versione del 600 series ) viene utilizzato come 
propulsore per uno dei più famosi aerei d’addestramento dell’Aeronautica 
Militare ,oggi conosciuti come “ Frecce Tricolori “ : l’ Aermacchi  MB-326 / MB-
339  . 
 
 
Funzionamento 
In un turbogetto l'aria viene convogliata dalla presa d'aria, o presa dinamica o 
diffusore, che inizia una prima compressione, ed inviata al compressore (o ai 
compressori nelle soluzioni a compressore di bassa e di alta pressione) il quale 
continua la compressione. Da qui viene inviata alla camera di combustione, dove 
si miscela con il combustibile nebulizzato dagli iniettori ed incendiata da una 
candela. Una volta iniziato il processo di combustione rimane spontaneo se non 
mutano le condizioni di pressione e flusso di combustibile. La combustione 
continua provoca un notevole innalzamento della temperatura dell'aria che, non 
potendo espandersi, viene indirizzata verso la turbina dove si espande cedendo 
a questa la propria energia. Il turbogetto risponde, dal punto di vista 
termodinamico, al ciclo di Brayton e pertanto, come macchina termica, raggiunge 
rendimenti tanto più elevati quanto più elevati sono il suo rapporto di 
compressione e la temperatura massima del ciclo, a pari temperatura minima. La 
realizzazione dei turbogetto è quindi basata sull'ottenimento dei più elevati 
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rendimenti possibili dei compressori, delle turbine a gas e delle camere di 
combustione. 
 
 
Descrizione 
Il turbojet Viper 600 series ha le seguenti caratteristiche di progetto: 
Diametro 622 mm ( 24.48 in ) . Peso 358 Kg ( 790 lb ) . 
La presa d’aria è di tipo Direct anular pitot senza Inlet Guide Vanes. 
Il compressore è a flusso assiale e composto da 8 stadi. Le palette del 1°,2°, 8° 
stadio sono d’acciaio mentre le palette del 3° e 6° sono di magnesio. 
Il combustore è di tipo anulare corto con 24 iniettori di combustibile e 6 candele 
di accensione. La turbina è a flusso assiale. 
Il motore è sostanzialmente costituito da una presa d'aria, da un compressore 
assiale, dalla camera di combustione, dove si trovano gli iniettori del 
combustibile (kerosene), da una turbina, da un eventuale postbruciatore ed 
infine da un ugello di scarico che fornisce la spinta. Questi organi, assieme ai 
numerosi organi accessori, quali motorino d'avviamento, pompe per i lubrificanti 
e i liquidi di raffreddamento, sistemi di spillamento dal compressore, per evitarne 
lo stallo o per pressurizzare cabina e circuito idraulico, sono contenuti in un 
involucro metallico di forma aerodinamica posto nell'ala, di fianco alla fusoliera, 
entro la fusoliera, oppure sopra la coda del velivolo. I compressori attualmente 
usati sui motori più potenti sono del tipo assiale i quali, tuttavia, quando 
raggiungono determinate dimensioni presentano una serie di problemi di 
funzionamento e di regolazione, che in diversi casi portano a livelli inaccettabili 
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alcune loro deficienze, come quella di una risposta alquanto pigra alla manetta. 
La causa fondamentale di ciò è l'estrema difficoltà di assicurare condizioni 
regolari di funzionamento in un'ampia gamma di regimi ai diversi stadi del 
compressore, ciascuno stadio del quale influenza il comportamento tanto di 
quelli che lo precedono quanto, soprattutto, di quelli che lo seguono. Tra le 
tecniche elaborate per superare questi inconvenienti, si possono citare quella 
dell'adozione di palettature a calettamento variabile, per i primi stadi del 
compressore: in questo modo se l'aria entrante ha una velocità più bassa di 
quella di progetto si potranno inclinare di meno le palette o viceversa. Dello 
spillamento (sottrazione) di parte della portata d'aria elaborata dal compressore 
stesso, in questo modo, specialmente all'avvio quando il compressore iniza a 
funzionare, i primi stadi non riusciranno a comprimere l'aria che inviano agli stadi 
successivi, i quali si troverebbero quindi un volume d'aria eccessivo. 
 
 
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Inoltre vi è la suddivisione del compressore in due o più tronchi indipendenti 
mossi, mediante due alberi coassiali, ciascuno da una propria turbina (schema 
noto come turbogetto bialbero o trialbero).I compressori assiali hanno 
generalmente il rotore costituito da una struttura cilindrica o tronco-conica cui 
sono applicate le palette, oppure da una serie di dischi, ciascuno dei quali porta 
le palette, e che, serrati gli uni contro gli altri, vengono collegati all'albero della 
turbina. Le palette possono essere realizzate in lega leggera, in acciaio ed in 
titanio, soprattutto quelle dei primi stadi, più soggette al pericolo di danni per 
l'ingestione di oggetti estranei, e quelle degli ultimi, dove l'aria compressa 
raggiunge temperature anche di qualche centinaio di gradi centigradi. Tra i 
materiali impiegati nella costruzione dei compressori stanno facendosi largo la 
fibra di carbonio e il kevlar. Tali materiali permettono di costruire ed utilizzare 
pale a corda larga per le grandi ventole dei motori turboventola. Le ventole così 
realizzate si sono rivelate estremamente resistenti agli urti contro volatili e corpi 
esterni. Risultano anche migliorate le doti di sopravvivenza del motore al 
distacco di una di queste pale, che ha come conseguenza una delle avarie in 
assoluto più pericolose per un turboreattore. La tenuta tra le palette e la 
carcassa del compressore è realizzata mediante anelli di materiale abradibile (in 
genere teflon) nei quali le palette scavano la propria traccia.Il compressore ha la 
funzione di alimentare con aria sotto pressione, captata dalla presa anteriore, le 
camere di combustione, in cui viene bruciato il cherosene nebulizzato mediante 
speciali iniettori. La maggior parte dell'aria proveniente dal compressore (il 75%) 
viene impiegata per diluire i prodotti della combustione stessa e per raffreddare 
le pareti esterne delle camere. Queste sono costituite da più involucri anulari, 
contenuti l'uno dentro l'altro, e collegano l'uscita del compressore con l'ingresso 
in turbina, convogliando verso di questa i gas che si formano durante la 
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combustione. Data l'elevata temperatura di combustione, le camere sono 
realizzate in leghe ad alto tenore di nichel, capaci di resistere a temperature 
anche abbondantemente superiori ai 1200 °C. La turbina ha la funzione di 
elaborare la portata gassosa trasformandola in parte in energia meccanica, 
necessaria per il trascinamento del compressore; la portata gassosa finisce di 
espandersi nel condotto di carico, la cui forma contribuisce ad accelerare la 
velocità di espansione dei gas; la variazione della quantità di moto della massa 
gassosa in espansione fornisce la spinta. 
 
 
Variazioni ed accorgimenti 
Poco diffusa è l'architettura a flusso invertito, in cui le camere di combustione 
hanno una forma ad S, permettendo così di ridurre considerevolmente la 
lunghezza dell'albero che collega il compressore alla turbina. La turbina a gas, di 
norma assiale e frequentemente a più stadi, è la parte del turbogetto in cui 
vengono sfruttate le tecnologie più avanzate, date le elevate sollecitazioni 
meccaniche e termiche cui sono sottoposte soprattutto le sue palettature, le cui 
estremità a causa della rotazione possono raggiungere una a velocità periferica 
dell'ordine dei 400 m/s, venendo investite da gas incandescenti a temperature 
anche superiori ai 1300 °C e a velocità sui 600 m/s. Per tale motivo, le palette 
sono realizzate in speciali leghe ad alto tenore di nichel, con aggiunte di cobalto, 
e sono in diversi casi protette da un sottile strato di materiale ceramico, oppure 
sono munite di un sistema di raffreddamento alimentato da aria compressa 
prelevata al compressore, convogliata nell'interno delle palette (che sono cave) e 
quindi espulsa attraverso piccoli fori disposti sul loro bordo d'attacco, per cui 
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forma un sottile straterello d'aria che assicura la refrigerazione. Verso la metà 
degli anni 80' si è affermata la tecnica del monocristallo, che permette una 
maggiore resistenza alle sollecitazioni termiche e centrifughe cui è sottoposta la 
paletta. La ricerca è ancora molto attiva nel campo, dato che da essa dipende, 
per la gran parte, il miglioramento delle prestazioni dei motori a turbina. Problemi 
tecnici derivano anche dalla necessità di evitare fenomeni di corrosione e di 
ossidazione delle palette e di prevedere la possibilità di ragguardevoli dilatazioni 
termiche, che impongono l'adozione di speciali sistemi di fissaggio delle palette 
ai dischi delle turbine, tali da permettere apprezzabili giochi a freddo, e, 
viceversa, il bloccaggio alle normali temperature d'esercizio.