STRUTTURA DEL MOTORE TURBOFAN EUROJET EJ-200

 

Vengono ora descritti i principali componenti che costituiscono il motore turbofan Eurojet EJ-200.

 

Struttura del motore turbofan Eurojet EJ-200

(clicca su una parte disegno per visualizzare la relativa descrizione)

 

Compressore

Il compressore dell’Eurojet EJ-200 è di tipo assiale, costituito da tre stadi a bassa pressione (low pressure fan LPF) e da cinque  stadi ad alta pressione (high pressure compressor HPC).

Il compressore assiale è costituito da un complesso rotorico ed uno statorico, entrambi concentrici all'asse di rotazione del motore.

Il rotore è, a sua volta, costituito da una serie di dischi porta palette oppure da una serie di dischi palettati (blisk) distanziati adeguatamente mediante i distanziali.

Il compressore a bassa pressione LP consiste in tre stadi costituiti interamente da blisk in lega di titanio Ti-64.

 

blisks costituenti il compressore a bassa pressione

 

Il compressore ad alta pressione HPC è stato progettato per garantire elevata efficienza, basso peso e modesto ingombro.

Dal 1987 sono state sviluppate diverse varianti di HPC.

Il primo modello, denominato DVE HP 01, comprendeva il primo stadio realizzato in lega di titanio, mentre i  restanti quattro erano realizzati in Inconel.

Successivamente è stata sviluppata una variante, denominata DVE HP 03, che si differenziava dalla precedente perché costituita dai primi quattro stadi in lega di titanio e da uno stadio 5 in Inconel.

Lo stadio 3 era costituito da un  blisk.

In questo modo è stata ottenuta una diminuzione del peso del 5%, dovuta all’incremento dell’utilizzo di lega di titanio in sostituzione dell’Inconel.

La variante attualmente in produzione   è costituita dai primi quattro stadi in lega di titanio Ti-64, mentre lo stadio 5 è realizzato in Inconel 718; si differenzia dalla versione precedente poiché primi tre stadi sono costituiti interamente da blisk.

 

DVE HP 03 attualmente in produzione

 

Rispetto alle versioni precedenti  sono inoltre state ottimizzate le geometrie dell’attacco delle palette ai dischi e delle superfici di contatto: ciò ha reso possibile una migliore distribuzione degli sforzi applicati all’attacco delle palette sotto l’azione dei carichi prodotti dai gas, come è possibile valutare attraverso l’analisi agli elementi finiti.

 

Confronto tra le distribuzioni degli sforzi su attacchi delle palette convenzionali e ottimizzati

 

Le palette del compressore sono realizzate con tecnologia wide-chord , la quale prevede una geometria delle palette maggiormente "twistata" rispetto alle tradizionali clappered e garantisce un aumento dell'efficienza delle stesse del 4%.

 

Confronto tra diverse geometrie delle palette del compressore

 

Le ipotesi future prevedono la realizzazione di un compressore ad alta pressione a 6 stadi costituito interamente da blisk oppure da blisk per quanto riguarda i primi tre stadi e da bling (bladed ring) per quanto riguarda gli ultimi tre. 

Il ricorso a tecnologie bling e MMC (Compositi a matrice metallica) comporterà la significativa riduzione di peso fino al 50% senza compromettere le prestazioni del compressore.


 

Camera di combustione

La camera di combustione dell’Eurojet EJ-200 è di tipo anulare.

 

Camera di combustione di tipo anulare

 

Questo tipo di camera consiste in due schermi continui circolari e concentrici in superlega a base nickel Hastelloy X posti attorno all'alloggiamento dell'albero del compressore.

Sugli schermi sono praticati vari fori aventi la funzione di consentire all'aria secondaria di raffreddamento di accedere all'interno della camera, evitando pertanto il contatto diretto della fiamma con le pareti degli schermi stessi.

L'alimentazione del carburante avviene attraverso una serie di 20 bruciatori equidistanti (spray burners) , posti sull'estremità all’inizio della camera.

La vicinanza della fiamma alle pareti degli schermi rende questo tipo di camera piuttosto critico: la camera anulare richiede, infatti, interventi d’ispezione e riparazione ad intervalli più brevi rispetto agli altri componenti del motore.

Questo tipo di camera di combustione presenta la capacità di utilizzare il limitato spazio disponibile in maniera più efficace rispetto alle altre tipologie, permettendo una migliore miscelazione tra combustibile ed aria.

Un rapporto ottimale tra la superficie interna della camera ed il suo volume assicura il massimo raffreddamento dei gas della combustione.


 

Turbina

La turbina del motore turbofan Eurojet EJ-200 è costituita da uno stadio ad alta pressione HP ed uno stadio a bassa pressione LP.

Le palette delle turbina del motore EJ-200 hanno struttura monocristallina e sono realizzate in Inconel 718;  i dischi sono fabbricati mediante un processo di metallurgia delle polveri.

Le palette  di una turbina aeronautica  sono soggette ad alta velocità ed elevate temperature di funzionamento; la prima condizione causa elevate forze centrifughe, la seconda richiede che la turbina debba operare entro i limiti di temperatura sopportabili dai materiali, che, ove venissero superati, ne ridurrebbero drasticamente le caratteristiche di resistenza.

 

    

Stadio 1 ad alta pressione della turbina dell’EJ-200 (rotore)

 

Stadio 1 ad alta pressione della turbina dell’EJ-200 (statore)

 

La parte termicamente più sollecitata di una turbina è senza alcun dubbio lo stadio 1 ad alta pressione, dal momento che è situato all'uscita della camera di combustione. 

E' su questa sezione che l'elevata temperatura e l'elevata velocità dei gas esercitano il loro effetto di ossidazione ed erosione.

Per quanto riguarda lo stadio 2 a bassa pressione, soggetto a sollecitazioni di minor entità,  viene rappresentata e descritta la geometria di una paletta .

 

Geometria di una paletta dello stadio 2 LP della turbina dell’EJ-200

 

Il disco è schematicamente composto da un bulbo (1) collegato alla testa (2) tramite il collo (3).

Nella parte superiore della testa (2) sono ricavati gli slot (4) nei quali inserire, mediante innesti a pino rovesciato, le palette.

Il bulbo (1) termina con una flangia (5) collegata, tramite il bullone (6), all’albero motore (7).

Lateralmente alla testa (2), dal lato caldo, è inserito il catcher (8) con il compito di distribuire nel modo più uniforme possibile il fluido di raffreddamento.

Viene proposta un’analisi agli elementi finiti, condotta sullo stadio 2 a bassa pressione della turbina dell’EJ-200, con lo scopo di stimare  lo stato tensionale di una paletta e individuare le cause principali dello stato di sforzo complessivo:

 

Analisi  degli sforzi in P  sulla paletta dello stadio 2 LP  della turbina dell’EJ200

 

Le cause principali dello stato tensionale risultano essere la forza centrifuga del disco, il tiro della palettatura, eventuali prevarichi dovuti ad interferenze in sede di montaggio e distribuzioni non uniformi di temperatura, dovute alle differenze di temperatura dei gas che ne lambiscono la superficie.

La distribuzione delle temperature sulla superficie esterna e sulla sezione di una paletta di turbina aeronautica può essere ricavata mediante l’analisi agli elementi finiti, come è possibile osservare nel seguente studio.

 

          

Distribuzione delle temperature sulla superficie e sulla sezione

 

Per aumentare la resistenza della turbina agli stress termo-meccanici viene utilizzato un particolare processo denominato TBC (Thermal Barrier Coating), che consiste nel rivestimento delle palette, mediante deposizione al plasma-spray, con uno strato di materiale ceramico a base di nichel -cromo – alluminio - ittrio (MCrAlY), cui è sovrapposto uno strato di zirconia parzialmente stabilizzata (PSZ) con ittria (cfr. sistemi di rivestimento).

Inoltre si ricorre ad un sofisticato sistema di raffreddamento attraverso il convogliamento d’aria, prelevata a valle del compressore, ed inviata nelle palette sia statoriche sia rotoriche.

 

Sistema di raffreddamento e TBC di una paletta di turbina aeronautica

 

L'aria opportunamente convogliata viene inviata in una serie di canali a labirinto ricavati all'interno delle palette e quindi scaricata da una serie di finissimi fori ubicati sui bordi d’entrata ed uscita e sul ventre e dorso.

Il flusso d’aria cosi convogliato protegge le palette in seguito ad un duplice effetto: crea una pellicola d’aria più fredda sulla superficie delle palette stesse, che, sfruttando il fenomeno dello strato limite, evita il diretto contatto dei gas caldi sulla superficie nuda contenendo l'effetto d’erosione e sottrarre calore dall'interno garantendo un raffreddamento efficacie.


 

Ugello a sezione variabile e geometria regolabile  con  post-bruciatori

L’ugello di scarico con post-bruciatori deve godere di ottima resistenza alle alte temperature, all’ossidazione e all’erosione.

A tal fine l’ugello è in lega di titanio Ti-64, i “petali” sono realizzati in carburo di silicio (SiC) .

 

Ugelli di scarico a sezione variabile