Power Gearbox: la trasmissione più potente mai realizzata

Articolo a cura di Francesco Floro.
Progettata per trasmettere una potenza massima di 100.000 cavalli, la Power Gearbox è progettata dall’inglese Rolls-Royce, uno tra i maggiori produttori di motori a getto al mondo. A tale trasmissione ha collaborato anche la divisione Aerospace della tedesca Liebherr, specializzata invece negli impianti aerospaziali.

I numeri che la caratterizzano sono impressionanti: la potenza trasmessa è equivalente a quella prodotta da oltre 500 auto familiari a massimo regime, e ciascuna coppia di denti è in grado di trasmettere la potenza sviluppata da un’intera griglia di monoposto di Formula 1.
Ma cosa giustifica l’impiego di una trasmissione in un motore a reazione?

La Power Gearbox nel turbofan

Per poter fornire una risposta è necessario analizzare il funzionamento di un turbofan.

La scelta della sua configurazione si basa sul fatto che la spinta per un motore a getto (assumendo una portata massica di combustibile molto minore rispetto a quella dell’aria e trascurando il contributo della pressione) è data dalla formula:

T = Q · (V_e−V_i)

dove V_e e V_i sono rispettivamente la velocità di efflusso dall’ugello e la velocità di ingresso nel fan (ipotesi di velocità uniforme sulla sezione). Q [kg / s] rappresenta invece la portata massica di aria.

Qualche confronto prestazionale

A parità di spinta e di velocità di volo notiamo che tanto maggiore è la portata d’aria tanto più bassa è la velocità di efflusso e tanto minore è l’energia cinetica dei gas caldi dissipata in atmosfera. Questa condizione garantisce quindi un minore consumo di combustibile.

Pertanto il turbofan è caratterizzato dalla presenza di un fan (ventola) a monte del compressore. A valle di esso il flusso d’aria viene diviso in flusso caldo, soggetto alla successiva combustione, e in flusso freddo che viene direttamente scaricato dall’ugello. Questi motori sono caratterizzati dal Bypass Ratio (BPR), parametro che misura il rapporto tra la portata massica del flusso freddo e quella del flusso caldo.

Vediamo dei valori tipici di BPR nel caso di alcuni turbofan.

In particolare tanto maggiore è il BPR tanto più ridotto è il consumo di combustibile, con evidenti implicazioni economiche e ambientali. Esiste tuttavia un limite alle dimensioni con le quali il fan può essere realizzato per motivi di peso e ingombro. Infatti i motori vengono montati al di sotto delle ali e deve essere garantita una sufficiente clearance rispetto al terreno. Inoltre, a parità di velocità di rotazione, tanto maggiore è il diametro del fan tanto maggiore sarà la velocità alla tip, ossia la velocità tangenziale alla punta della pala, poiché è maggiore la distanza dall’asse di rotazione. Questo comporta il rischio che essa entri in regime supersonico, il che porterebbe ad uno scadimento delle caratteristiche aerodinamiche delle pale.

Lo scopo della Power Gearbox

E’ a questo punto che entra il gioco la scatola di riduzione Power Gearbox. Questa infatti consente la trasmissione della potenza dalla turbina al fan, facendo in modo che quest’ultimo ruoti a una velocità molto minore rispetto a quella della turbina. In questo modo si disaccoppiano le velocità dei due componenti e si garantisce il funzionamento di entrambi nei loro rispettivi range di funzionamento ottimali, oltre a garantire un’area di cattura maggiore del flusso e quindi una maggiore portata di fluido elaborata.

Entrando nel dettaglio della trasmissione essa è costituita dal sole (ruota dentata centrale) solidale all’asse della turbina che funge da drive e da cinque pianeti che hanno la duplice funzione di ridurre la velocità angolare e di trasmettere la potenza.
Per questo componente uno degli aspetti più critici è la dissipazione del calore. Difatti, date le elevatissime potenze in gioco, anche un rendimento molto alto (superiore al 99%) comporta una grande potenza termica da smaltire.

Anche per questo motivo le due aziende sopracitate hanno realizzato un centro a Dahlewitz, in Germania, per lo sviluppo e il test della trasmissione, simulandone il funzionamento nella varie fasi di volo quali decollo, crociera, virata e atterraggio.
Questa trasmissione nella strategia di Rolls-Royce fa però parte di un progetto più ampio denominato UltraFan con l’obiettivo specifico di ridurre emissioni e rumore, in accordo con gli obiettivi del progetto di ricerca europeo Clean Sky 2.