Il turbofan: CFM LEAP-1A

Il motore dell'Airbus A320neo smontato pezzo per pezzo in 3D, e tre simulatori per capire dove nasce la spinta: il percorso del gas, perché serve una ventola enorme e che cosa succede quando muovi la leva.

Com'è fatto

Trascina per ruotare, scorri per ingrandire, tocca un pezzo per leggerne la funzione. Spaccato separa i componenti, Sezione taglia il motore a metà, Gira muove fan e rotori ciascuno al suo passo, Flusso mostra l'aria che si divide, si comprime, brucia e si espande. È un modello didattico delle proporzioni del LEAP-1A, non una riproduzione fedele: il numero esatto di stadi e di pale può differire dal motore reale.

Costruttore
CFM International
joint venture GE Aerospace e Safran
Velivolo
Airbus A320neo
anche A319neo e A321neo
Fan
1,98 m
78 pollici, 18 pale
Diluizione
11 : 1
per ogni kg nel nocciolo
Compressione totale
circa 40
al decollo
Spinta
143 kN
decollo del modello, circa 32 000 lbf
Stadi
3 · 10 · 2 · 7
booster, HPC, HPT, LPT
Rotori
2
N1 bassa, N2 alta, presa diretta

Le versioni del LEAP-1A coprono spinte tra circa 24 000 e 35 000 lbf secondo l'aereo. Fonti: CFM International, Wikipedia, CFM LEAP.

Quattro passi dall'aria alla spinta

  1. 01

    Aspirare e accelerare

    Il fan, grande quasi due metri, aspira una massa d'aria enorme, oltre mezza tonnellata al secondo a pieno carico, e la accelera di poco, a circa 250 m/s. Su quasi tutta questa aria non brucia nulla.

  2. 02

    Dividere

    Dietro il fan l'aria si divide. Circa undici parti su dodici passano nel condotto di bypass attorno al motore. Il resto entra nel nocciolo.

  3. 03

    Comprimere e bruciare

    Booster e compressore ad alta alzano la pressione fino a circa 40 volte. Nella camera si inietta carburante e l'aria si scalda oltre 1600 K. Pressione costante, volume che cresce: è il ciclo di Brayton.

  4. 04

    Espandere e spingere

    Il gas caldo si espande nelle due turbine, che gli sottraggono quasi tutta l'energia per far girare compressori e fan. Il poco che resta esce dall'ugello. Spinta = portata d'aria × (velocità di uscita − velocità di volo).

Il percorso del gas

Uno spaccato del motore con i numeri delle stazioni del ciclo: 2 davanti al fan, 25 dopo il booster, 3 all'uscita del compressore, 4 all'ingresso della turbina, 45 tra le due turbine, 5 all'uscita. La temperatura è il colore, la pressione l'altezza della barra. Cambia N1, quota e velocità e guarda come variano, e quanta spinta restituiscono.

  • 2 Ingresso fan: Aria ambiente più il piccolo recupero dinamico del moto in avanti.
  • 13 Uscita fan, bypass: Pressione di circa 1,4 volte, quasi senza riscaldare l'aria: da qui in poi non c'è combustione. Circa 80% o più della spinta.
  • 25 Uscita booster: La piccola parte d'aria che entra nel nocciolo è già compressa quasi due volte.
  • 3 Uscita compressore (HPC): Pressione totale attorno a 40 volte l'ambiente e oltre 800 K. È aria pronta a bruciare.
  • 4 Ingresso turbina (HPT): Dopo la combustione: oltre 1600 K, il punto più caldo del ciclo.
  • 45 Tra le due turbine: Il gas ha ceduto potenza alla HPT per far girare l'HPC. Qui si misura l'EGT.
  • 5 Uscita turbina (LPT): Dopo altri sette stadi che hanno azionato fan e booster. Il gas restante esce dall'ugello primario.

Spinta netta
In libbre
Consumo
TSFC
Aria totale
Diluizione
Compressione
Spinta dal fan
T4 in turbina
EGT
Rendimento propulsivo

Modello didattico: i numeri sono vicini a quelli dichiarati dal costruttore ma il calcolo è una semplificazione, non il programma di certificazione.

Due rotori, due velocità

Un turbofan moderno ha due alberi coassiali che non sono collegati tra loro: possono girare a velocità diverse e si influenzano solo attraverso il gas. È l'idea che permette di avere un fan enorme e lento davanti a un nocciolo piccolo e velocissimo.

  • N1: bassa pressione

    Fan, booster (3 stadi) e turbina a 7 stadi. Gira piano, perché il fan è enorme e la punta delle pale non deve superare il suono. È la grandezza che i piloti Airbus guardano per regolare la spinta.

  • N2: alta pressione

    Compressore a 10 stadi e turbina a 2 stadi. Gira molto veloce. Muove anche la scatola accessori: per questo è il primo a partire all'avviamento.

  • Perché separati

    Fan e compressore hanno velocità ottimali molto diverse. Con due rotori liberi ciascuno trova la sua, e il compressore ad alta può restare vicino al punto di lavoro anche a basse potenze.

Perché più aria, più lenta

La spinta è massa per differenza di velocità. Si può ottenerla da poca aria molto veloce, come un turbogetto, o da tanta aria un po' più veloce dell'aereo. La seconda spreca molta meno energia cinetica nello scarico: è l'idea di tutti i turbofan. Con lo stesso nocciolo, sposta il rapporto di diluizione e guarda il consumo e la velocità del getto.

Consumo specifico
Spinta installata
Rendimento propulsivo
Getto del bypass
Rumore del getto

Da CFM56 a LEAP

Il LEAP-1A prende il posto del CFM56-5B sull'A320 (ora detto ceo, current engine option). Stesso costruttore, stessa idea, ma un fan molto più grande, meno pale e un nocciolo più caldo e compresso.

CFM56-5B LEAP-1A
Rapporto di diluizione circa 6 : 1 circa 11 : 1
Diametro del fan 1,73 m (68 in) 1,98 m (78 in)
Pale del fan 36, titanio 18, composito
Compressione totale circa 33 a 35 : 1 circa 40 : 1
Stadi booster / HPC 3 / 9 3 / 10
Stadi turbina HP / LP 1 / 4 2 / 7
Combustore Anulare doppio (DAC) o singolo TAPS, premiscelato
Consumo e CO₂ riferimento circa 15% in meno

I valori del CFM56 e dei miglioramenti sono quelli dichiarati dal costruttore, arrotondati. Variano con la versione.

La leva, gli alberi, l'avviamento

Gli strumenti motore come li vede il pilota: N1, EGT, N2 e consumo. Premi Avviamento e segui la sequenza automatica. Poi muovi la leva sulle tacche dell'A320 e osserva la risposta: l'N2 corre davanti, il fan segue, l'EGT supera per un attimo il suo valore a regime. Dal minimo a TOGA servono circa cinque secondi, un tempo che la certificazione impone di non superare.

Condizioni
Velocità del tempo Tempo

Spinta
Della spinta di decollo
EGT
N2 su N1
Tempo al 95% di N1

Limiti dei quadranti didattici, non della certificazione. Il manuale del tuo velivolo fa fede.

Cosa c'è di nuovo nel LEAP

18pale

Fan in composito

Fibre di carbonio tessute in 3D, impregnate di resina e stampate (RTM). Meno pale, più larghe, più leggere del titanio.

CMC

Anelli in CMC

Composito a matrice ceramica attorno alla prima girante ad alta pressione: regge più calore con meno aria di raffreddamento.

3D

Iniettori stampati in 3D

Un solo pezzo in lega di cobalto e cromo al posto di circa venti saldati: più leggeri e più duraturi.

−50%NOx

Combustore TAPS

Premiscela e brucia magro, quindi più freddo: circa la metà degli NOx rispetto ai limiti ICAO CAEP/6.

1:1N1

Presa diretta

Nessun riduttore tra turbina e fan: meno parti in movimento, una scelta diversa da quella del PW1100G.

2canali

FADEC a doppio canale

Il computer decide tutto tra la leva e il motore: carburante, statori, valvole, limiti.

Dal punto di vista del pilota

Pagina didattica per il corso PPL. Procedure e limiti dei motori reali sono quelli del manuale del velivolo (FCOM) e dei dati di certificazione.

Quiz

Sei domande casuali sul turbofan.