Ogni volta che visiti un aeroporto, la spinta imponente dei jet commerciali è inconfondibile. Questi velivoli si affidano a motori a turbina a gas, una famiglia versatile di macchine che alimentano anche elicotteri, centrali elettriche e persino il carro armato M‑1. Questa guida spiega i fondamenti del funzionamento di questi motori, i loro vantaggi e le variazioni che li rendono adatti a diverse applicazioni.

Tipi di turbine

• Turbine a vapore – Utilizzato nelle centrali a carbone, gas naturale, petrolio e nucleare. Il vapore aziona una turbina multistadio che aziona un generatore.
• Turbine idroelettriche – L’acqua si muove attraverso le turbine nelle dighe, convertendo l’energia cinetica in elettricità. Sebbene il loro design differisca dalle turbine a vapore a causa della maggiore densità dell'acqua, il principio di base è identico.
• Turbine eoliche – Convertire il vento lento e leggero in movimento rotatorio, sempre seguendo lo stesso concetto di base della turbina.
• Turbine a gas – Utilizzare un gas pressurizzato (proveniente dalla combustione di cherosene, carburante per aerei, propano o gas naturale) per far girare una turbina. Le moderne turbine a gas producono internamente il proprio gas ad alta pressione.

Vantaggi e svantaggi dei motori a reazione

• Rapporto potenza/peso – Le turbine a gas forniscono più potenza per unità di peso rispetto ai motori alternativi, rendendole ideali per aerei e veicoli blindati.
• Dimensioni compatte – A parità di potenza erogata, le turbine sono fisicamente più piccole dei motori diesel.
• Costi e complessità – Elevate velocità di rotazione e temperature estreme richiedono materiali avanzati e produzione di precisione, aumentando i costi di produzione.
• Consumo di carburante – Le turbine sono meno efficienti al minimo e preferiscono carichi costanti, il che si adatta ad applicazioni a funzionamento continuo come jet e centrali elettriche.

Il processo della turbina a gas

Una turbina a gas è costituita da tre componenti principali:

• Compressore – Comprime l'aria in entrata ad alta pressione.
• Camera di combustione – Inietta carburante e lo brucia, producendo gas ad alta temperatura e alta velocità.
• Turbina – Estrae energia dai gas per azionare il compressore e, in alcuni modelli, un albero di uscita separato.

In una tipica turbina a flusso assiale, l'aria entra da destra, viene compressa attraverso più stadi (spesso aumentando la pressione fino a 30 volte) ed esce dal compressore sotto forma di aria ad alta pressione e ad alta temperatura.

Area di combustione

Il carburante viene iniettato nell'aria ad alta pressione all'interno della camera di combustione. Un componente chiave è il supporto della fiamma, spesso chiamato “lattina”, che stabilizza la fiamma in presenza di un flusso d’aria supersonico. Le perforazioni della lattina consentono all'aria di mescolarsi con il carburante e la sua geometria mantiene la fiamma ancorata in modo che la combustione rimanga continua.

La Turbina

La turbina è solitamente divisa in stadi. I primi stadi azionano il compressore, formando un unico albero rotante. Uno stadio finale della turbina a ruota libera è isolato dal resto del motore; i suoi soli gas di scarico possono far girare un albero di uscita in grado di erogare 1.500 cavalli, sufficienti a spingere un carro armato M-1 da 63 tonnellate.

In molte applicazioni, i gas di scarico vengono semplicemente scaricati, ma possono anche passare attraverso scambiatori di calore per recuperare l'energia residua o preriscaldare l'aria aspirata.

Variazioni delle turbine a gas

Gli aerei moderni utilizzano comunemente motori turbofan, che combinano una turbina a gas con una grande ventola anteriore. La ventola aspira un grande volume di “aria di bypass” che viene espulsa ad alta velocità per produrre ulteriore spinta. I motori turboelica utilizzano un nucleo simile ma azionano un'elica convenzionale attraverso un cambio anziché una ventola.

Nozioni di base sulla spinta

La spinta è la forza generata dall’accelerazione della massa fuori dal motore, come descritto dalla terza legge di Newton. Negli Stati Uniti, la spinta è misurata in libbre; nel sistema metrico è espresso in Newton (1lb ≈ 4,45N). Un motore a reazione che produce 5.000 libbre di spinta potrebbe, in teoria, supportare una massa di 5.000 libbre in un ambiente privo di peso.

Propulsione del motore a reazione

Un turbofan produce spinta da due fonti:

• Getto di scarico – I gas ad alta velocità che escono dall'ugello della turbina (velocità di uscita tipica ≈ 1.300 mph).
• Bypass aria – La ventola spinge un enorme volume d'aria a una velocità inferiore, contribuendo in modo significativo alla spinta totale.

Ulteriori letture

Per uno studio tecnico approfondito, consulta Tecnologia dei motori a turbina a gas per aeromobili o Elementi di propulsione con turbina a gas . Appassionati e ingegneri possono anche esplorare forum online e mailing list dedicati alla progettazione di turbine a gas.