Verso architetture di motori più efficienti e sostenibili
Il motore Ultra-High Propulsive Efficiency (UHPE), uno dei dimostratori di punta del programma Engines Integrated Technology Demonstrator di Clean Sky 2, mira ad aumentare ulteriormente l’efficienza energetica e il rendimento del combustibile, nonché a ridurre le emissioni nocive rispetto agli attuali motori turbofan più efficienti. Si prevede di raggiungere questi obiettivi aumentando l’efficienza propulsiva e termica del motore al di là dell’attuale stato dell’arte. Un approccio per migliorare le prestazioni propulsive e termiche del motore consiste nell’aumentare il rapporto di diluizione e ridurre il rapporto di pressione della ventola. In particolare, è necessario un rapporto di diluizione superiore a 15:1 per soddisfare gli obiettivi ambientali più esigenti. Tuttavia, ciò introduce sfide tecniche legate principalmente ai materiali utilizzati nel modulo del sistema di trasmissione del motore UHPE.
La sfida dei motori con rapporto di diluizione molto elevato
Il rapporto di diluizione del turboreattore a doppio flusso si riferisce al rapporto tra il flusso primario (la portata massica in ingresso all’interno del nucleo del motore) e il flusso secondario (la portata massica che attraversa il combustore). Quanto maggiore è il volume d’aria sottoposto a diluizione, tanto più silenzioso ed efficiente diventa il motore. La struttura del motore geared turbofan è vantaggiosa per i motori con rapporti di diluizione molto elevati. «La tecnologia Ultra-High Bypass Ratio ottenuta con il concetto di geared turbofan, che disaccoppia le velocità della ventola e della turbina attraverso un sistema di azionamento integrale, rappresenta un’architettura innovativa che consente di ridurre in modo considerevole il consumo di carburante, il rumore e le emissioni», osserva Ida Bartilotta, ingegnere di ricerca presso l’azienda italiana AM Testing e coordinatrice del progetto HILOGEAR, finanziato dall’UE. «I materiali aerospaziali classici per cuscinetti e ingranaggi non presentano tutte le caratteristiche tecniche necessarie a soddisfare i requisiti di resistenza previsti per l’impiego all’interno della scatola di trasmissione di potenza UHPE. A tal fine, è necessario studiare nuovi materiali e trattamenti termici», aggiunge Bartilotta.
Test sulle prestazioni dei materiali in condizioni realistiche
Con il supporto di HILOGEAR, AM Testing ha condotto alcuni test per stabilire la resistenza statica e a fatica di ingranaggi e cuscinetti rispetto ai classici meccanismi di danno, come la flessione e la scalfitura. Le attività sperimentali miravano a valutare le prestazioni dei materiali di cuscinetti e ingranaggi in condizioni operative simili a quelle dei nuovi motori (carichi elevati e alte temperature). Il banco di prova per le prove di flessione e scalfitura consente di raggiungere 1 MW di potenza circolante con una velocità massima di 140 m/s in corrispondenza del cerchio primitivo. La temperatura massima del lubrificante è di 180 ºC e si possono effettuare anche prove in condizioni estreme. I ricercatori hanno studiato e testato promettenti trattamenti superficiali di materiali a base di acciaio adatti a ingranaggi e cuscinetti. Per quanto riguarda i cuscinetti, i ricercatori hanno condotto 46 test (la durata dei test ha superato le 34 000 ore) utilizzando due combinazioni di materiali e metodi di trattamento termico. Inoltre, hanno condotto 228 test (la durata dei test ha superato le 3 700 ore) sulla resistenza dei materiali degli ingranaggi, utilizzando cinque combinazioni di materiali e metodi di trattamento termico.
Si preannuncia una nuova era per i motori aeronautici ad alte prestazioni
I risultati di HILOGEAR confluiscono negli sforzi di maturazione della tecnologia di base del motore del dimostratore UHPE. Inoltre, i risultati del progetto saranno sfruttati nella realizzazione di studi e progetti di ricerca futuri. «Grazie a HILOGEAR, AM Testing, una piccola e media impresa, ha avuto l’opportunità di collaborare con una grande azienda, Schaeffler Aerospace Germany, nello sviluppo di sistemi di cuscinetti e ingranaggi ad alta precisione per motori aeronautici. Abbiamo anche rafforzato i legami con la compagnia di aviazione commerciale Avio Aero, aprendo la strada a collaborazioni future», conclude Bartilotta.
Parole chiave
HILOGEAR, ingranaggi, cuscinetti, AM Testing, altissima efficienza propulsiva, geared turbofan, altissimo rapporto di diluizione, Schaeffler Aerospace Germany, Avio Aero
