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La turboventola[1], spesso indicata col termine inglese turbofan, è un tipo di motore a reazione che, a differenza di un normale motore turbogetto, utilizza due flussi d'aria separati:

• il primo flusso, detto flusso caldo, attraversa tutti gli stadi del motore, vale a dire la presa d'aria, che ha la funzione di instradare il flusso generando una prima compressione dell'aria rallentandola, negli stadi successivi, la ventola (uno o più stadi), il compressore, la camera di combustione, la turbina (uno o più stadi), e l'ugello di scarico, da dove viene esercitata tutta la propulsione sul mezzo esterno.
• il secondo flusso, detto flusso freddo, attraversa:
  • nel caso di turboventola a flussi associati, soltanto ventola e ugello, oppure
  • nel caso di turboventola a flussi separati, la sola ventola.

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Il rapporto tra la portata in massa di flusso freddo e flusso caldo si dice rapporto di diluizione[2].

Usi e caratteristiche

Tutti i jet moderni adottano la turboventola in quanto è il motore che permette minori consumi e migliori prestazioni rispetto al sorpassato turbogetto. Questo per motivi legati alla presenza della ventola e del flusso freddo.

Molti aerei passeggeri adottano turboventole ad alto rapporto di diluizione; si possono riconoscere grazie al loro più grande ingombro frontale, determinato dalla ventola appunto, mentre gli aeroplani ad alte prestazioni, come i caccia, adottano turboventole a basso rapporto di diluizione per raggiungere velocità operative molto elevate, e, quindi, la grandezza della turboventola è paragonabile a quella di un semplice turbogetto.

La ventola è mossa da un albero motore azionato dalla turbina più a valle, detta turbina a bassa pressione, mentre il compressore è mosso da un altro albero, concentrico e più esterno rispetto al primo, collegato alla turbina più a monte e immediatamente posta a valle del combustore, detta turbina ad alta pressione. Questa configurazione è detta bialbero, ma il compressore potrebbe essere mosso anche da più di un albero, generando configurazioni trialbero.

Il rumore prodotto da questo tipo di motore è strettamente correlato alla velocità dei gas di scarico. I motori ad alto rapporto di diluizione, cioè a più bassa spinta specifica (spinta per unità di flusso di massa), sono relativamente silenziosi se comparati con i turbogetto e con le turboventole a basso rapporto di diluizione (e quindi ad alta spinta specifica). Un motore a bassa spinta specifica ha una velocità all'ugello di scarico molto più bassa; infatti, secondo l'equazione approssimata della spinta, valida anche per i turbogetti:

${\displaystyle T={\dot {m}}(V_{s}-V_{a})}$

dove ${\displaystyle {\dot {m}}}$ è il flusso di massa che attraversa la presa d'aria nell'unità di tempo (massa diviso tempo), ${\displaystyle V_{s}}$ è la velocità dei gas di scarico e ${\displaystyle V_{a}}$ è la velocità di volo.

Quindi la spinta specifica è data da:

${\displaystyle {\frac {T}{\dot {m}}}=(V_{s}-V_{a})}$

Così, se l'aeromobile è fermo, la spinta specifica è direttamente proporzionale alla velocità del getto.

Gli aeroplani a getto sono spesso considerati rumorosi, ma un propulsore a pistoni o un turboelica che erogano la stessa potenza sono molto più rumorosi.

A differenza del turbogetto, dove l'unica parte del motore che fornisce la spinta è l'ugello, nella turboventola circa l'80% della spinta è fornita dalla ventola.

Turboventola a flussi separati

L'introduzione degli statori a geometria variabile nel compressore fece sì che i compressori ad alte pressioni potessero lavorare senza pericolo di stallo. Questa innovazione fece il suo debutto col General Electric J79, un turbogetto monoalbero militare. Quando il compressore a geometria variabile fu accoppiato alla ventola, fu possibile aumentare drasticamente la pressione di combustione. Inoltre, una più alta temperatura in turbina, grazie ai nuovi materiali e ai nuovi metodi di raffreddamento, rese possibile adottare delle camere di combustione più piccole.

Queste migliorie portarono anche allo sviluppo di un motore ad alto rapporto di diluizione, dove la ventola elabora una grande quantità d'aria rispetto al resto del motore. Oggi BPR ≥ 5 sono assai comuni; la ventola assomiglia a un'elica intubata, la quale soffia aria fredda attorno alle componenti del motore più a valle. Il flusso d'aria della ventola poi si miscela con quello dell'ugello di scarico, rendendo il motore meno rumoroso. Inoltre la ventola, in questo caso, partecipa alla generazione della spinta insieme all'ugello.

La prima turboventola ad alto rapporto di diluizione fu il General Electric TF39, progettato per il Lockheed C-5 Galaxy, un enorme aeroplano da trasporto militare. Il General Electric CF6 usava un disegno simile, ma per impiego civile. Seguirono il Pratt & Whitney JT9D, il trialbero Rolls-Royce RB211 e il CFM International CFM56. I più recenti sono il Pratt & Whitney PW4000, il trialbero Rolls-Royce Trent, il General Electric GE90, il General Electric GEnx e il CFM Leap.

La loro grande spinta e il loro consumo più ridotto resero le turboventole ad alto rapporto di diluizione indispensabili per l'impiego civile.

Una rappresentazione schematica d'una turboventola a flussi separati è illustrata in figura. A valle del diffusore (presa d'aria), comune all'intera portata d'aria (principale e secondaria), si trovano alcuni stadi del compressore che costituiscono la ventola e sono attraversati anch'essi dall'intera portata d'aria. Da questo punto in poi i due flussi seguono percorsi diversi. In particolare il flusso secondario non verrà ulteriormente compresso, mentre il flusso primario verrà compresso dal compressore che sviluppa un rapporto di compressione (rapporto tra pressione in uscita e pressione in entrata) superiore a quello della ventola ed è quindi caratterizzato da più stadi. Questa portata evolve successivamente, come nel turbogetto semplice, sino all'uscita dalla prima turbina.

La prima turbina è infatti quella che fornisce la potenza necessaria a muovere il compressore. A valle della prima turbina i gas combusti, ad alta temperatura e a pressione ancora superiore a quella atmosferica, vengono ulteriormente espansi nella seconda turbina, che fornisce la potenza necessaria a muovere la ventola. Soltanto a valle della seconda turbina il flusso principale verrà accelerato, sfruttando la frazione di potenza utile ancora disponibile per produrre la spinta.

Il flusso secondario a valle della ventola può essere accelerato in un ugello. Spesso, soprattutto nel caso di elevate portate di flusso secondario, per risparmiare peso e ingombro e per limitare gli attriti l'ugello del getto secondario è posizionato appena a valle della ventola.

Turboventola a flussi associati

I primi turbogetti lamentavano un consumo assai elevato, mentre la pressione di tutto il ciclo, così come la temperatura interna, erano molto limitate dalla tecnologia del tempo. Materiali più evoluti e l'introduzione del doppio compressore adottato da motori come il Pratt & Whitney JT3C, aumentarono le pressioni sostenibili e l'efficienza termodinamica del motore, ma portarono a una ben povera efficienza propulsiva, dato che i turbogetti in genere avevano un piccolo flusso di massa e una grande velocità di scarico.

Le turboventole a basso rapporto di diluizione furono progettati per migliorare l'efficienza propulsiva, riducendo la velocità del getto a valori più vicini alle velocità di volo. Il Rolls-Royce Conway, le prime turboventole, aveva un BPR = 0,3 (rapporto di diluizione), simile al moderno General Electric F404, motore montato su aerei quali il McDonnell Douglas F/A-18 Hornet. I turboventola civili degli anni '60, come il Pratt & Whitney JT8D e il Rolls-Royce Spey possedevano un BPR = 1.

In una turboventola a flussi separati, i due getti sono caratterizzati da temperature diverse. Poiché a parità di salto di pressione la velocità di efflusso è proporzionale alla radice quadrata della temperatura totale del flusso, si può cercare di aumentare la temperatura del flusso secondario grazie all'elevata temperatura di quello primario. Questo principio è alla base della realizzazione della turboventola a flussi associati che, ridistribuendo tra i due flussi non solo il lavoro utile ma anche l'energia termica, permette di ottenere prestazioni superiori rispetto al caso della turboventola a flussi separati, anche se per ottenere tale vantaggio bisogna tener conto del peso aggiuntivo necessario.

In una turboventola a flussi associati, il flusso freddo viene miscelato con quello caldo dopo essere stato compresso. Nello schema è presente un nuovo componente, la camera di miscelazione, dove i due flussi vengono appunto miscelati prima di essere espansi in un unico ugello. Bisogna considerare un vincolo aggiuntivo, rispetto al caso della turboventola a flussi separati; infatti, all'ingresso della camera di miscelazione i due flussi devono avere la stessa pressione statica. Questo comporta che, in fase di progetto, il rapporto di compressione della ventola e il rapporto di diluizione non possono essere scelti entrambi arbitrariamente.

L'inusuale General Electric[3] fu sviluppato come un aft-fan (cioè un motore con la ventola a valle del ciclo), con un BPR = 2. Era un derivato del turbogetto General Electric,[4] imbarcato sul Northrop T-38 Talon e sul Learjet da 12 650 newton, sviluppato per il Rockwell Sabreliner 75/80. Il CF700 fu il primo «piccolo turboventola» al mondo a essere certificato dalla Federal Aviation Administration. Ora^[quando?] volano non meno di 400 aeroplani con questo propulsore con più di 10 milioni di ore di volo.

Sin dagli anni settanta i motori a getto erano turboventole a basso rapporto di diluizione a flussi associati e post-combustore. Il primo turboventola con postbruciatore fu il Pratt & Whitney TF30 che equipaggiava il General Dynamics F-111, il Grumman F-14 Tomcat e il Vought A-7 Corsair II.

Ricordiamo anche i turboventola del blocco sovietico, con il celebre Ljul'ka AL-31F, disegnato da Arkhip Mikhailovich Lyul'ka e probabilmente uno dei migliori della guerra fredda, montato sui Sukhoi Su-27 Flanker, e il Klimov RD-33 adottato dal Mikoyan-Gurevich MiG-29 Fulcrum.

Costruttori

• Avio
• General Electric
• MTU Aero Engines
• Pratt & Whitney
• Rolls-Royce
• Snecma
• Solov'ëv Design Bureau
• CFM International
• International Aero Engines

Note

Bibliografia

• (EN) D.G. Shepherd, Aerospace Propulsion. Elsevier, New York, USA, 1972.

Altri progetti

• Wikizionario contiene il lemma di dizionario «turboventola»
• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su turboventola

Collegamenti esterni

• Approfondimento sui principi della turboventola del portale di aviazione www.ilvolo.it, su ilvolo.it.

Portale Astronautica

Portale Aviazione

Portale Ingegneria

На других языках

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[de] Mantelstromtriebwerk

Ein Mantelstromtriebwerk, auch Nebenstromtriebwerk, Zweistromstrahltriebwerk, Zweistrom-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (ZTL) oder Fantriebwerk – engl. Turbofan – genannt, ist ein Strahltriebwerk, bei dem ein äußerer Luftstrom den inneren „Kernstrom“ ummantelt. Der eigentliche thermodynamische Kreisprozess (Luft verdichten, aufheizen (Treibstoff verbrennen), expandieren und Energie liefern) findet im Kernstrom statt. Der Mantelstrom liefert bei modernen Triebwerken je nach Nebenstromverhältnis meist den Großteil der Schubkraft, oft über 80 %. Das Kerntriebwerk wird daher mitunter vor allem als Antrieb für Fan und somit Mantelstrom betrachtet. Deshalb wird es gelegentlich als „Heißgas-Erzeuger“ für die Fan-antreibende Turbine bezeichnet. Der Mantelstrom bewirkt eine Verringerung der Strahlgeschwindigkeit (ausgestoßener Luft-Abgas-Strahl) mit der Folge eines niedrigeren Treibstoffverbrauchs und geringerer Schallemission gegenüber einem Einstrom-Strahltriebwerk gleicher Schubkraft.

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[es] Turbofán

Los motores de aviación tipo turbofán[1] (en inglés turbofan) o turboventilador[2] son una generación de motores de reacción que ha reemplazado a los turborreactores. También se suelen llamar turborreactores de doble flujo.

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[fr] Turboréacteur à double flux

Un turboréacteur à double flux (dit en anglais turbofans) est un moteur à réaction dérivé du turboréacteur. Il s’en distingue essentiellement par le fait que la poussée n’est pas obtenue seulement par l’éjection de gaz chauds, mais aussi par un flux d’air froid — ce dernier flux peut même fournir davantage de force (mesurée en kilonewtons) que le flux chaud.

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- [it] Turboventola

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[ru] Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторным двигателем в популярной литературе обычно называют турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД) с высокой (выше 2) степенью двухконтурности. В данном типе двигателей используется одноступенчатый вентилятор большого диаметра, обеспечивающий высокий расход воздуха через двигатель на всех скоростях полёта, включая низкие скорости при взлёте и посадке. По причине большого диаметра вентилятора сопло внешнего контура таких ТРДД становится достаточно тяжёлым и его часто выполняют укороченным, со спрямляющими аппаратами (неподвижными лопатками, поворачивающими воздушный поток в осевом направлении). Соответственно, большинство ТРДД с высокой степенью двухконтурности — без смешения потоков. Экономичность турбовентиляторных двигателей обусловлена тем, что в отличие от обычного ТРДД энергия реактивной струи в виде давления и высокой температуры не теряется на выходе из двигателя, а преобразуется во вращение вентилятора, который создает дополнительную тягу, тем самым повышается КПД. В турбовентиляторном двигателе вентилятор может создавать до 70-80 % всей тяги двигателя[1][2].

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