Analisi delle prestazioni di turbine a gas per applicazioni aeronautiche in presenza di anomalie di funzionamento

Le fasi principali di una missione di volo sono decollo (take off), salita (climb), crociera (cruise), discesa (descent) e atterraggio (landing). Per gli aerei militari deve anche essere considerato il combattimento (combat). Durante il take off, è disponibile un elevato eccesso di spinta. Tipicamente la velocità di take off e l’altezza per un fighter sono 0.21 Mach e 1.2 km, rispettivamente. I valori corrispondenti per un aereo civile sono fino a 0.27 Mach e 3 km. Il take off è una condizione chiave di volo per il design del motore, con solitamente alla più alta SOT (stator outlet temperature). Per il climb è richiesta una forza aggiuntiva verso l’alto. La risultante resistenza crescente è superata dall’aumentata spinta, eccesso disponibile oltre a quella richiesta per il volo stazionario. Inoltre, una componente della spinta è diretta verticalmente. L’eccesso di spinta disponibile a basse altitudini fornisce un alto tasso di salita, tipicamente 500 m/min per un trasporto subsonico, e fino a 8000 m/min per un fighter.

La velocità di volo durante la salita è inizialmente ad un livello fisso dell’equivalente velocità dell’aria dovuto a considerazioni strutturali dell’airframe (mantenendo costante la pressione dinamica), e anche ad un limitato Mach di volo per le aerodinamiche dell’airframe una volta raggiunte. Al top della salita la massima spinta del motore è uguale alla resistenza dell’aereo. Questa è una condizione chiave di dimensionamento per l’aereo, con le più alte velocità relative e quindi il flusso d’aria relativo. Non è la più alta SOT, a causa della più bassa temperatura ambiente.

L’aereo solitamente viaggia ad un’elevata altitudine in quanto qui la vera velocità dell’aria raggiunta per un dato livello di velocità dell’aria equivalente è significativamente più alta, e perché il consumo di carburante del motore è minimizzato dal corrispondente requisito di spinta più bassa. La scelta dell’altezza di crociera è complessa, e dipende dalla dimensione del motore richiesto per raggiungere l’altezza, dalla vera velocità dell’aria e dal range richiesto dal settore di mercato. L’altezza ottima per la crociera generalmente aumenta con il livello di Mach di volo richiesto. Su un lungo periodo di crociera la spinta richiesta può ridursi del 20% di quella in salita, grazie alla riduzione del peso del carburante. Durante la discesa i motori sono portati al regime di volo idle. Una componente del peso ora agisce in direzione di viaggio, completando la spinta motore per superare la resistenza. Tipicamente la velocità di atterraggio è tra 0.18 e 0.21 Mach. La distanza di atterraggio è sostanzialmente minore di quella richiesta per il decollo, perché la decelerazione è data dalla spinta inversa o dai freni e gli spoiler sono più veloci rispetto all’accelerazione in decollo.