turboèlica
Indice
Definizione
sm. inv. [sec. XX; turbo+elica]. Propulsore a elica del tipo a reazione indiretta, ottenuto dall'accoppiamento di un gruppo motore (turbina a gas) e di un gruppo propulsivo (elica) azionato meccanicamente dalla turbina. Per estens., l'aeromobile dotato di tale sistema propulsivo.
Tecnologia: caratteristiche
Il turboelica fu concepito all'inizio degli anni Cinquanta del secolo scorso, nel tentativo di realizzare un caccia che potesse accompagnare i bombardieri statunitensi nelle loro missioni a grande raggio. Nelle intenzioni dei progettisti il turboelica doveva presentare gli stessi favorevoli rapporti peso-potenza del turbogetto, ma consumo notevolmente ridotto (maggiore autonomia). Il nuovo gruppo propulsore non diede risultati positivi nell'impiego su aerei da combattimento, ma venne invece adottato rapidamente sugli aerei da trasporto, sia civili sia militari. Infatti il turboelica risulta a parità di potenza più leggero, affidabile ed economico dei motori alternativi, e ha consumi ridotti rispetto ai turboreattori. Ormai tutti gli aeromobili a elica con motori di potenza superiori ai 300 cavalli sono equipaggiati con gruppi turboelici, mentre per potenze inferiori il maggiore costo di unità di dimensioni ridotte rappresenta un ostacolo insormontabile alla sua diffusione. Altro grande vantaggio delle unità turboelica è l'impiego dello stesso tipo di carburante dei turboreattori, con notevole semplificazione logistica, riduzione dei costi e delle precauzioni di trasporto e immagazzinamento.
Tipologia
I turboelici si dividono in due grandi categorie, monoalbero e bialbero. Nel primo tipo il compressore, la turbina di potenza e l'elica sono calettati sul medesimo albero, anche se i giri dell'elica sono ridotti rispetto a quelli della turbina di potenza tramite l'interposizione di un riduttore. Questa esecuzione presenta notevoli problemi per il fatto che ogni variazione dei giri dell'elica comporta un'analoga variazione (in percentuale proporzionale) dei giri della sezione generatrice di gas, con notevoli peggioramenti nel rendimento della turbomacchina. Inoltre i turboelici monoalbero risultano di avviamento difficoltoso a causa della notevole inerzia dell'elica e del riduttore che costringono ad adottare motorini d'avviamento di notevoli dimensioni. Nei turboelici bialbero (ormai la stragrande maggioranza) sono completamente separate la sezione generatrice di gas (compressore e turbina di alta pressione) da quella di potenza (turbina di potenza e elica), e l'accoppiamento tra le due avviene esclusivamente attraverso i gas di combustione. Ciò consente la regolazione indipendente e ottimale delle due sezioni, nonché l'utilizzo di motorini di avviamento di dimensioni ridotte.
Tecnica
Il turboelica è un propulsore adatto all'impiego a velocità di volo non troppo elevata (indicativamente fino a ca. 200 m/s), risultando soggetto alle medesime limitazioni di velocità proprie del motore a pistoni, ma essendo caratterizzato, in tale gamma di velocità, da rendimenti propulsivi superiori a quelli del reattore puro, dato che la massa gassosa accelerata dal turboelica è costituita in massima parte dall'aria elaborata dalla sua elica. Particolare importanza ha, nel turboelica, il riduttore interposto tra l'albero di potenza e quello dell'elica, la quale deve avere una velocità di rotazione non troppo elevata onde evitare i fenomeni di comprimibilità che determinerebbero, con il formarsi di onde d'urto, vistosi fenomeni vibratori e sensibili diminuzioni di rendimento. I compressori adottati sono di tipo assiale nei turboelici di grande potenza e di tipo centrifugo o, più frequentemente, di tipo misto assiale-centrifugo sui turboelici di media e bassa potenza. Su questi ultimi è frequentemente adottata l'architettura a flusso invertito, che permette di scindere il complesso delle parti rotanti in due gruppi completamente separati, anche se adiacenti: il generatore di gas posteriore e il gruppo di potenza anteriore, costituito dalla turbina (anche pluristadio) libera, dall'albero di potenza mosso da questa, dal riduttore e dall'albero dell'elica. Estrema importanza hanno sempre i sistemi di regolazione del gruppo motore e dell'elica, dovendo il primo essere mantenuto entro abbastanza ristretti limiti di giri e di temperatura e non essendo quindi possibile (specie nei turboelici monoalbero) consentire ampie variazioni del numero di giri dell'elica. Per incrementare la potenza del turboelica al decollo, specialmente in condizioni di elevate temperature ambiente, viene iniettata a valle del compressore una miscela di acqua-metanolo, la cui vaporizzazione abbassa considerevolmente la temperatura dell'aria proveniente dal compressore stesso, consentendo così di immettere nelle camere di combustione una maggior mandata di petrolio. Le prestazioni del turboelica hanno un sensibile calo al crescere della quota, tuttavia meno marcato rispetto a quello dei motori alternativi; per questo motivo le moderne unità di controllo del combustibile sono realizzate in modo da elaborare i dati di pressione ambientale per l'erogazione della potenza massima compatibile con l'integrità del motore a tutte le quote. Dopo un periodo di grande popolarità l'impiego dei turboelici sta declinando, sostituito dalle nuove generazioni di motori turboventola, che presentano consumi ridotti e spinte a punto fermo quasi altrettanto elevate, ma consentono all'aeromobile velocità transoniche. Influenza in maniera molto sfavorevole i costi di esercizio dei gruppi turboelici la presenza del riduttore e dell'elica, soprattutto per la costosa manutenzione e i conseguenti tempi di fermo macchina.