Prima di approfondire lo sviluppo delle lame, dobbiamo innanzitutto vedere dove e come tutto ha avuto inizio.
LA STORIA DEI MOTORI A REAZIONE
Prima di entrare nel merito dello sviluppo delle pale dei motori a reazione, dobbiamo innanzitutto vedere dove e come tutto è iniziato.
Per il 2021 sono stati previsti 22,2 milioni di voli aerei globali. Si tratta di un netto calo rispetto ai 40,3 milioni previsti per il 2020, a causa della pandemia COVID-19. Questi voli hanno trasportato circa 2,8 miliardi di passeggeri. Quanti di questi passeggeri pensano mai all'innovazione e alla tecnologia delle pale di una turbina a reazione e al funzionamento di un motore a reazione?
Il motore a reazione è il propulsore degli attuali aerei a reazione. Non solo genera la spinta che alimenta il velivolo, ma anche l'energia che alimenta molti altri sistemi dell'aereo. I motori a reazione funzionano secondo la terza legge del moto di Newton, secondo la quale ogni forza che agisce su un corpo produce una forza uguale e contraria. Il motore a reazione aspira una parte dell'aria attraverso la quale l'aereo si muove, la comprime, la combina con il carburante, la riscalda e infine espelle il gas risultante con una forza tale da spingere l'aereo in avanti e portarvi verso la vostra destinazione preferita per le vacanze o il vostro viaggio di lavoro programmato.
TORNIAMO ALLA STORIA DEI MOTORI A REAZIONE, DOVE TUTTO È COMINCIATO, E GUARDIAMO COME SI SONO EVOLUTE LE PALE DELLE TURBINE.
Si può risalire fino agli eolipili egiziani sviluppati da Eroe di Alessandro nel 150 a.C.. La tecnologia cinese dei razzi del 1230, lo spiedo per arrostire dello "spazzacamino" di Leonardo Da Vinci, la turbina a impulsi per un mulino a timbri dell'ingegnere italiano Giovanni Branca. Per non parlare del principio di Bernoulli, che può essere direttamente derivato dalla seconda legge del moto di Newton, e anche se tutto questo ha avuto un impatto, non è stato fino alla prima guerra mondiale che è stato portato al livello successivo, e in mezzo a tutte le devastazioni e le interruzioni, ha accelerato l'aumento dell'aviazione e lo sviluppo delle turbine a reazione, che è direttamente correlato allo sviluppo delle pale delle turbine.
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L'ingegnere svizzero Alfred Buchi brevettò il turbocompressore nel 1910, ma il dispositivo fallì nei test di volo in Francia. All'epoca la General Electric (GE) si concentrava principalmente sulla costruzione di turbine e altre apparecchiature per le centrali elettriche, ma nel novembre del 1917 il governo statunitense volle sviluppare una propria versione di turbocompressore e chiese all'azienda di contribuire allo sviluppo del dispositivo per l'esercito americano.
Il compito di gestire il progetto segreto toccò a un ingegnere di turbine a gas della GE, Sanford Moss.
Moss costruì un turbocompressore che utilizzava i gas di scarico caldi del motore dell'aereo per far girare una turbina radiale da lui progettata e comprimere l'aria che entrava nel motore.
La svolta avvenne nel 1930, quando il tenente della Royal Air Force Lt. Frank Whittle ha presentato un brevetto per una turbina a gas con propulsione a getto. Il suo motore, con un compressore centrifugo monostadio accoppiato a una turbina monostadio, fu testato con successo al banco nell'aprile del 1937 e costituì la base del moderno motore a reazione.
Nel frattempo, in Germania, Hans von Ohain formulò la sua teoria sulla propulsione a getto nel 1933, mentre completava il suo dottorato all'Università di Gottinga. Von Ohain e il dottor Max Hahn brevettarono un motore a reazione nel 1936 e il 27 agosto 1939, a Rostock, fu compiuto il primo volo a reazione pura.
Nel 1939, il Ministero dell'Aeronautica assegnò alla Power Jets Ltd (una società di cui Whittle era azionista) un contratto per lo sviluppo di un motore aeronautico. Il 15 maggio 1941, il motore W1 di Whittle effettuò il suo volo inaugurale sul Gloster Model E28/39. Questo aereo raggiunse una velocità di 370 mph (595 km/h) in volo livellato con 1.000 libbre di spinta. Dopo il successo del motore di Whittle, gli inglesi inviarono immediatamente un prototipo ai loro alleati negli Stati Uniti, dove la General Electric iniziò subito a produrne delle copie. Durante questo periodo, un gruppo di ingegneri GE chiamato Hush-Hush Boys sviluppò nuove parti per il motore, lo rielaborò, lo testò e consegnò un prototipo funzionante top-secret chiamato I-A con una spinta di 1.300 libbre!
Come molte innovazioni tecnologiche, il motore a reazione ha richiesto tempo per svilupparsi dall'idea alla progettazione fino all'esecuzione, ma due guerre mondiali hanno eclissato l'ingegneria aeronautica. Verso la fine della Seconda Guerra Mondiale furono introdotti i moderni motori a turbina, tra cui il raffreddamento delle pale, la prevenzione del ghiaccio e l'ugello di scarico a sezione variabile.
Nel 1930, i prototipi di Sir Frank Whittle furono realizzati interamente in acciaio. L'acciaio è ottimo per la resistenza e la durezza delle superfici, ma se avete bisogno di prestazioni ad alta temperatura, dovreste rivolgervi altrove, perché la temperatura massima dell'acciaio è di 450-500 °C.
Uno dei principali fattori limitanti dei primi motori a reazione era rappresentato dalle prestazioni dei materiali disponibili per la parte calda (combustore e turbina) del motore. La necessità di materiali migliori ha stimolato una ricerca approfondita sulle leghe e sulle tecniche di produzione, che ha portato a un lungo elenco di nuovi materiali e processi che rendono possibili le moderne turbine a gas.
Oltre al miglioramento dei materiali e delle leghe, un passo avanti è stato lo sviluppo di processi di solidificazione direzionale (DS) e a cristallo singolo (SC) e lo sviluppo di rivestimenti a barriera termica. La ricerca di materiali ad alte prestazioni, di un design innovativo e di metodi di produzione migliorati nello sviluppo delle pale sarà discussa in modo approfondito nel blog della prossima settimana sulle pale per turbine a reazione, Parte 2. Lo sviluppo nel corso degli anni e il continuo miglioramento non sono possibili senza misurazioni.
La costruzione e l'assemblaggio dei componenti di un motore a reazione richiede circa due anni, dopo una fase di sviluppo e collaudo che può durare fino a cinque anni per ogni modello. Durante il processo di costruzione di un motore, i componenti e gli assemblaggi vengono ispezionati per verificare l'accuratezza dimensionale, la lavorazione responsabile e l'integrità dei materiali.
Dal 1968, WENZEL si impegna a fornire soluzioni di misura migliori per l'industria manifatturiera con le sue innovazioni nella tecnologia di misura. Vengono offerti sistemi di misura all'avanguardia per pale di turbine di varie dimensioni. Le curve complesse delle pale delle turbine hanno dimensioni critiche che devono essere misurate in numerosi punti, limitati dalla portata dei sistemi tattili convenzionali. Le misure tipiche comprendono sezioni trasversali delle pale in più punti, e anche questa è una sfida molto particolare. Ciò riguarda principalmente la misurazione dei raggi del bordo d'attacco, del bordo d'uscita, della forma della radice e della posizione e dimensione dei fori di raffreddamento. (Per saperne di più sulle funzionalità delle turbine e delle pale, consultare il post della prossima settimana).
Limitato dal diametro dello stilo, non è possibile rilevare deviazioni di forma e difetti su elementi di piccole dimensioni. Una sonda tattile ha l'effetto di un filtro meccanico sulla misurazione e può far apparire i risultati migliori o peggiori di quelli reali.
In alternativa si possono utilizzare sistemi di misura ottici. In molti casi le superfici riflettenti devono essere preparate e rivestite con una polvere speciale. Questa procedura aggiunge materiale extra al pezzo e porta a risultati errati quando si valutano elementi piccoli. Inoltre, non tutti i metodi sono in grado di rilevare raggi piccoli o di misurare elementi di difficile accesso.
WENZEL ha sviluppato CORE , un sistema di misura ottico che soddisfa tutti questi requisiti. Grazie all'innovativo sensore, non è necessario preparare le superfici riflettenti e lucide. I punti di misura vengono catturati con un piccolo spot luminoso del diametro di 35 μm. Con questo sistema di misura, anche i raggi più piccoli possono essere misurati in dettaglio con un elevato numero di punti e si possono analizzare le deviazioni di forma e i difetti.
Il viaggio delle pale delle turbine a reazione è iniziato con la determinazione di andare più veloci e nelle prossime due settimane analizzeremo gli aspetti tecnici e la progettazione delle pale delle turbine a reazione. Basta guardare quanta strada abbiamo fatto negli ultimi sessant'anni. Dal primo aereo a reazione del 1939 con una spinta di 1100 lbf, alla spinta di un tipico motore di aereo di linea di 5.000 lbf (22.000 N) (de Havilland Ghost Turbojet) negli anni '50, fino a 115.000 lbf (510.000 N) (General Electric GE90 Turbofan) negli anni '90, per non parlare dell'affidabilità molto più elevata in termini di arresti per 100.000 ore di volo del motore.
Grazie alla forte riduzione del consumo di carburante, all'inizio del secolo è stato possibile effettuare voli transatlantici di routine con aerei commerciali bimotore (ETOPS), che in precedenza avrebbero richiesto diversi scali di rifornimento.
Oggi la tecnologia delle turbine a gas continua a evolversi con nuovi motori che offrono un'efficienza del carburante ancora maggiore e livelli di rumorosità significativamente inferiori. Sull'Airbus A380 sono entrati in servizio due dei più grandi motori a turbina a gas mai costruiti: il Rolls-Royce Trent 900 e il GP 7200 di Engine Alliance (una partnership tra GE e Pratt & Whitney). Questi enormi motori generano una spinta di 70.000 libbre ciascuno.
Seguiteci sulla nostra piattaforma e partecipate alla nostra serie All About Blades, un viaggio da non perdere! Il nostro team e gli esperti esterni condivideranno ulteriori informazioni sulle pale delle turbine a reazione, sulle geometrie e sulle sfide della produzione e del controllo qualità. Non vediamo l'ora di condividere #allaboutblades con voi!
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