Il turbofan: CFM LEAP-1A The 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. The engine of the Airbus A320neo taken apart piece by piece in 3D, and three simulators to understand where thrust comes from: the gas path, why a huge fan pays off, and what happens when you move the lever.
Com'è fatto What it is made of
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. Drag to rotate, scroll to zoom, tap a part to read what it does. Explode separates the components, Section cuts the engine in half, Spin turns fan and rotors each at its own pace, Flow shows the air splitting, compressing, burning and expanding. It is a teaching model of the LEAP-1A's proportions, not a faithful reproduction: the exact number of stages and blades may differ from the real engine.
- CostruttoreManufacturer
- CFM International
- joint venture GE Aerospace e Safranjoint venture of GE Aerospace and Safran
- VelivoloAircraft
- Airbus A320neo
- anche A319neo e A321neoalso A319neo and A321neo
- FanFan
- 1,98 m
- 78 pollici, 18 pale78 inch, 18 blades
- DiluizioneBypass ratio
- 11 : 1
- per ogni kg nel noccioloper kg in the core
- Compressione totaleOverall pressure ratio
- circa 40
- al decolloat take-off
- SpintaThrust
- 143 kN
- decollo del modello, circa 32 000 lbftake-off of the model, about 32 000 lbf
- StadiStages
- 3 · 10 · 2 · 7
- booster, HPC, HPT, LPTbooster, HPC, HPT, LPT
- RotoriSpools
- 2
- N1 bassa, N2 alta, presa direttaN1 low, N2 high, direct drive
Le versioni del LEAP-1A coprono spinte tra circa 24 000 e 35 000 lbf secondo l'aereo. Fonti: LEAP-1A versions cover thrust ratings between about 24 000 and 35 000 lbf depending on the aircraft. Sources: CFM International, Wikipedia, CFM LEAP.
Quattro passi dall'aria alla spinta Four steps from air to thrust
- 01
Aspirare e accelerareTake in and accelerate
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.The fan, nearly two metres wide, takes in a huge mass of air, over half a tonne per second at full power, and accelerates it only a little, to about 250 m/s. Nothing burns in almost all of this air.
- 02
DividereSplit
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.Behind the fan the air divides. About eleven parts in twelve go through the bypass duct around the engine. The rest enters the core.
- 03
Comprimere e bruciareCompress and burn
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.Booster and high pressure compressor raise the pressure about 40 times. Fuel is injected in the combustor and the air heats above 1600 K. Constant pressure, growing volume: the Brayton cycle.
- 04
Espandere e spingereExpand and push
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).The hot gas expands through the two turbines, which take almost all of its energy to drive compressors and fan. What little is left leaves through the nozzle. Thrust = air mass flow × (exit speed − flight speed).
Il percorso del gas The gas path
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. A cutaway of the engine with the numbers of the cycle stations: 2 in front of the fan, 25 after the booster, 3 at the compressor exit, 4 at the turbine inlet, 45 between the two turbines, 5 at the exit. Temperature is the colour, pressure the bar height. Change N1, altitude and speed and watch how they change, and how much thrust they return.
- 2 Ingresso fan: Aria ambiente più il piccolo recupero dinamico del moto in avanti.Fan face: Ambient air plus the small ram recovery from the forward motion.
- 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.Fan exit, bypass: A pressure ratio of about 1.4, with the air barely warmed: no combustion from here on. About 80% or more of the thrust.
- 25 Uscita booster: La piccola parte d'aria che entra nel nocciolo è già compressa quasi due volte.Booster exit: The small share of air entering the core is already compressed almost two times.
- 3 Uscita compressore (HPC): Pressione totale attorno a 40 volte l'ambiente e oltre 800 K. È aria pronta a bruciare.Compressor exit (HPC): Total pressure around 40 times ambient and over 800 K. Air ready to burn.
- 4 Ingresso turbina (HPT): Dopo la combustione: oltre 1600 K, il punto più caldo del ciclo.Turbine inlet (HPT): After combustion: over 1600 K, the hottest point of the cycle.
- 45 Tra le due turbine: Il gas ha ceduto potenza alla HPT per far girare l'HPC. Qui si misura l'EGT.Between the turbines: The gas has given power to the HPT to drive the HPC. EGT is measured here.
- 5 Uscita turbina (LPT): Dopo altri sette stadi che hanno azionato fan e booster. Il gas restante esce dall'ugello primario.Turbine exit (LPT): After seven more stages that drove fan and booster. What is left leaves through the core nozzle.
- Spinta nettaNet thrust
- In libbreIn pounds
- ConsumoFuel flow
- TSFCTSFC
- Aria totaleTotal airflow
- DiluizioneBypass ratio
- CompressionePressure ratio
- Spinta dal fanThrust from fan
- T4 in turbinaT4 turbine inlet
- EGTEGT
- Rendimento propulsivoPropulsive efficiency
Modello didattico: i numeri sono vicini a quelli dichiarati dal costruttore ma il calcolo è una semplificazione, non il programma di certificazione.Teaching model: the figures are close to those the manufacturer states, but the calculation is a simplification, not the certification program.
Due rotori, due velocità Two spools, two speeds
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. A modern turbofan has two coaxial shafts that are not connected to each other: they can turn at different speeds and affect each other only through the gas. It is the idea that allows a huge, slow fan in front of a small, very fast core.
-
N1: bassa pressioneN1: low pressure
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.Fan, booster (3 stages) and the 7-stage turbine. It turns slowly, because the fan is huge and the blade tips must not exceed the speed of sound. It is the quantity Airbus pilots watch to set thrust.
-
N2: alta pressioneN2: high pressure
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.10-stage compressor and the 2-stage turbine. It turns very fast. It also drives the accessory gearbox: that is why it is the first to move at start.
-
Perché separatiWhy separate
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.Fan and compressor have very different best speeds. With two free rotors each finds its own, and the high pressure compressor can stay close to its working point even at low power.
Perché più aria, più lenta Why more air, slower
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. Thrust is mass times a difference in speed. You can get it from a little air moving very fast, like a turbojet, or from a lot of air moving a bit faster than the aircraft. The second wastes much less kinetic energy in the exhaust: it is the idea behind every turbofan. With the same core, move the bypass ratio and watch the fuel consumption and the jet speed.
- Consumo specificoSpecific fuel consumption
- Spinta installataInstalled thrust
- Rendimento propulsivoPropulsive efficiency
- Getto del bypassBypass jet
- Rumore del gettoJet noise
Da CFM56 a LEAP From CFM56 to 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. The LEAP-1A replaces the CFM56-5B on the A320 (now called ceo, current engine option). Same manufacturer, same idea, but a much bigger fan, fewer blades and a hotter, more compressed core.
| CFM56-5B | LEAP-1A | |
|---|---|---|
| Rapporto di diluizioneBypass ratio | circa 6 : 1 | circa 11 : 1 |
| Diametro del fanFan diameter | 1,73 m (68 in) | 1,98 m (78 in) |
| Pale del fanFan blades | 36, titanio | 18, composito |
| Compressione totaleOverall pressure ratio | circa 33 a 35 : 1 | circa 40 : 1 |
| Stadi booster / HPCBooster / HPC stages | 3 / 9 | 3 / 10 |
| Stadi turbina HP / LPHP / LP turbine stages | 1 / 4 | 2 / 7 |
| CombustoreCombustor | Anulare doppio (DAC) o singolo | TAPS, premiscelato |
| Consumo e CO₂Fuel burn and CO₂ | riferimento | circa 15% in meno |
I valori del CFM56 e dei miglioramenti sono quelli dichiarati dal costruttore, arrotondati. Variano con la versione. CFM56 values and improvements are the manufacturer's figures, rounded. They vary with the version.
La leva, gli alberi, l'avviamento The lever, the spools, the start
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. The engine instruments as the pilot sees them: N1, EGT, N2 and fuel flow. Press Start and follow the automatic sequence. Then move the lever through the A320 detents and watch the response: N2 runs ahead, the fan follows, EGT briefly overshoots its steady value. From idle to TOGA takes about five seconds, a time that certification requires not to be exceeded.
- SpintaThrust
- Della spinta di decolloOf take-off thrust
- EGTEGT
- N2 su N1N2 over N1
- Tempo al 95% di N1Time to 95% N1
Limiti dei quadranti didattici, non della certificazione. Il manuale del tuo velivolo fa fede.Limits on the dials are teaching limits, not the certified ones. Your aircraft's manual is the reference.
Cosa c'è di nuovo nel LEAP What is new in the LEAP
Fan in compositoComposite fan
Fibre di carbonio tessute in 3D, impregnate di resina e stampate (RTM). Meno pale, più larghe, più leggere del titanio.Carbon fibres woven in 3D, resin-impregnated and moulded (RTM). Fewer, wider blades that weigh less than titanium.
Anelli in CMCCMC shrouds
Composito a matrice ceramica attorno alla prima girante ad alta pressione: regge più calore con meno aria di raffreddamento.Ceramic matrix composite around the first high pressure rotor: it takes more heat with less cooling air.
Iniettori stampati in 3D3D printed nozzles
Un solo pezzo in lega di cobalto e cromo al posto di circa venti saldati: più leggeri e più duraturi.A single cobalt-chrome piece in place of about twenty welded ones: lighter and longer lasting.
Combustore TAPSTAPS combustor
Premiscela e brucia magro, quindi più freddo: circa la metà degli NOx rispetto ai limiti ICAO CAEP/6.Pre-mixes and burns lean, hence cooler: about half the NOx of the ICAO CAEP/6 limits.
Presa direttaDirect drive
Nessun riduttore tra turbina e fan: meno parti in movimento, una scelta diversa da quella del PW1100G.No gearbox between turbine and fan: fewer moving parts, a choice that differs from the PW1100G.
FADEC a doppio canaleDual channel FADEC
Il computer decide tutto tra la leva e il motore: carburante, statori, valvole, limiti.The computer decides everything between lever and engine: fuel, stators, valves, limits.
Dal punto di vista del pilota From the pilot's seat
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N1 come riferimento di spintaN1 as the thrust reference
Sui motori Airbus la spinta si legge in N1, in percentuale. Il valore di decollo cambia con temperatura e quota: il FADEC calcola il valore giusto per la posizione della leva (TOGA, FLX/MCT, CLB).On Airbus engines thrust is read as N1, in percent. The take-off value changes with temperature and altitude: the FADEC computes the right value for the lever position (TOGA, FLX/MCT, CLB).
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Leva di spinta e FADECThrust lever and FADEC
Non esiste un collegamento meccanico: la leva è un segnale. Il FADEC non lascia superare i limiti di N1, N2 ed EGT, anche a leva avanti.There is no mechanical link: the lever is a signal. The FADEC does not let N1, N2 or EGT exceed their limits, even with the lever forward.
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Decollo con potenza ridotta (FLEX)Reduced thrust take-off (FLEX)
Se pista e peso lo consentono si decolla con meno spinta, simulando una temperatura più alta. Meno stress per il motore, motori che durano di più.If runway and weight allow it, take-off is made with less thrust, pretending a higher temperature. Less stress on the engine, and engines that last longer.
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AvviamentoStarting
Aria in pressione dall'APU o da un carrello gira l'N2. A circa il 20% si aprono il carburante e le candele. Si osservano EGT e pressione olio: se l'EGT sale troppo o non c'è accensione, il FADEC interrompe l'avviamento.Pressurised air from the APU or a ground cart turns N2. At about 20% fuel and igniters open. EGT and oil pressure are watched: if EGT rises too much or there is no light-up, the FADEC aborts the start.
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Aspirazione di corpi estraneiForeign object damage
Il fan è un aspirapolvere: sassi, uccelli e ghiaccio vanno in bypass quasi tutti. Il contenimento della carcassa regge la perdita di una pala. Da qui le linee guida di sicurezza a terra attorno a motori in funzione.The fan is a vacuum cleaner: stones, birds and ice mostly go into the bypass. The case contains the loss of a blade. Hence the ground safety rules around running engines.
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Pompaggio e stallo del compressoreSurge and compressor stall
Se il flusso nel compressore si stacca dalle pale c'è un botto e un'interruzione del flusso. Si riconosce da una fiammata allo scarico, vibrazioni, EGT alta e calo di giri. La procedura è ridurre la leva ed eseguire la checklist.If the flow in the compressor separates from the blades there is a bang and a flow interruption. It is recognised by flames at the exhaust, vibration, high EGT and falling rpm. The procedure is to reduce the lever and run the checklist.
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Aria spillataBleed air
Dal compressore si preleva aria calda per condizionamento, pressurizzazione e antighiaccio. Ogni spillamento sottrae un po' di potenza al motore: a basse velocità, con antighiaccio inserito, il motore deve girare di più.Hot air is bled from the compressor for air conditioning, pressurisation and anti-ice. Every bleed takes a little power from the engine: at low speeds with anti-ice on, the engine has to turn faster.
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Perdita di un motoreEngine failure
In un bimotore con un motore fermo la spinta si dimezza e il timone deve compensare l'asimmetria. Il motore che resta ha un limite di spinta continua massima (MCT). Procedure e velocità sono sul manuale del tuo velivolo.In a twin with one engine out, thrust halves and the rudder has to balance the asymmetry. The remaining engine has a maximum continuous thrust (MCT) limit. Procedures and speeds are in your aircraft's manual.
Pagina didattica per il corso PPL. Procedure e limiti dei motori reali sono quelli del manuale del velivolo (FCOM) e dei dati di certificazione. An educational page for the PPL course. Procedures and limits of real engines are those of the aircraft manual (FCOM) and the certification data.
Quiz
Sei domande casuali sul turbofan. Six random questions on the turbofan.