PH: rolls-royce.com
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?
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 · (Ve−Vi)
dove Ve e Vi 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.
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.
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.
