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citi951

Turbofan e turbogetto

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qualcuno mi potrebbe spiegare perch' un turbofan (o turboventola) ha un rendimento maggiore di un turbogetto ? Perchè ha più spinta a parità di consumo?

In fin dei conti la spinta ricavata dalla ventola è ottenuta sottraendo potenza meccanica ad uno stadio della turbina di bassa pressione, e l'aria non viene combusta dando un effetto espansione/velocità

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qualcuno mi potrebbe spiegare perch' un turbofan (o turboventola) ha un rendimento maggiore di un turbogetto ?

Perchè, conti alla mano, richiede meno energia prendere tanta aria ed accelerarla poco (turbofan) piuttosto che prenderne poca e accelerarla tanto (turbogetto semplice).

Molta energia si perde allo scarico in turbolenze che si formano quando il getto interagisce con l'aria esterna. Turbolenze che sono tanto più grandi quanto maggiore è la velocità dei gas di scarico.

 

Perchè ha più spinta a parità di consumo?

In fin dei conti la spinta ricavata dalla ventola è ottenuta sottraendo potenza meccanica ad uno stadio della turbina di bassa pressione, e l'aria non viene combusta dando un effetto espansione/velocità

La ventola in effetti può essere considerata un modo per incrementare la spinta: è il rovescio della medaglia di quanto visto prima.

Se a parità di spinta consumo di meno, a parità di consumo ho più spinta.

Parte dell'energia che nel turbogetto sprecherei in turbolenze allo scarico, nel turbofan riesco a tradurla in spinta supplementare (maggiore alle basse velocità, sia chiaro, perchè a mano a mano che V aumenta il margine di rendimento del turbofan sul turboreattore si riduce).

Piuttosto che sfruttare tutta l'energia residua dei gas caldi direttamente allo scarico, ottengo quindi una spinta maggiore se ne prelevo ancora un po'(oltre a quella necessaria al compressore) e la trasferisco alla ventola, anche considerando che una parte verrà comunque persa visto che ventola e stadi supplementari della turbina hanno anche loro un rendimento.

L'efficienza della ventola comunque è notevole e l'aria che l'attraversa in gran parte va allo scarico (freddo) senza attraversare la parte calda del motore e la camera di combustione dove necessariemente si verivicano perdite.

Edited by Flaggy

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In soldoni si, con il vantaggio che la carenatura del motore riduce lo scorrimento radiale dell'aria e controlla meglio velocità e pressioni a valle della ventola.

All'atto pratico, aumentare il rapporto di diluizione in un turbofan lo avvicina al turboelica e usare concetti come il propfan avvicina la turboelica al turbofan.

 

Si cerca di massimizzare i pregi di ciascun concetto e ridurre i difetti.

Più il diametro si riduce e più può aumentare il numero di pale e la velocità di rotazione e di conseguenza la velocità di crociera evitando problemi di comprimibilità all'estremità delle pale.

 

Il turboelica può grossolanamente essere visto come un turbofan con rapporto di diluizione enorme e non carenato.

 

In effetti i nuovi motori dell'A-400 (un aereo poco più lento di un turbofan) hanno un diametro relativamente ridotto, pale a scimitarra e in numero elevato: è il concetto del turboelica portato all'estremo.

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e il pegasus o pegaso (non mi ricordo bene)è turbo getto o turbo ventola ?

un turbo getto potrebbe far alzare in volo (verticalmente) l'f-35 ? dopo aver letto tempo fà un articolo che diceva che il motore dell'f-35 è il più potente costruito per un caccia volevo capire se era un turbogetto o un turbofan

grazie

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Preferisco evitare di soffermarmi troppo su argomenti già trattati.

Esistono infatti altre discussioni, anche recenti, in cui si è parlato dei motori a reazione, del Pegasus e del motore dell'F-35.

 

Comunque, il Pegasus è un turbofan, il cui flusso freddo è espulso dagli ugelli anteriori e quello caldo da quelli posteriori.

 

2aeru51.jpg

 

Il motore dell'F-35, è anch'esso un turbofan (a basso rapporto di diluizione), come lo sono tutti i motori moderni montati su velivoli militari.

L'F-35 (nella variante B) però non si alza in volo verticalmente sfruttando il solo motore, ma utilizza anche una ventola supplementare azionata tramite un albero dallo stesso motore e posizionata subito dietro l'abitacolo.

Per sostenere l'F-35 serve una spinta di quasi 20 tonnellate, ma non sono certo quelle ottenute dal motore inserendo il postbruciatore che bucherebbe la pista e farebbe solo ribaltare l'aereo in assenza della suddetta ventola che sposta in avanti la risultante della spinta e incrementa enormemente il flusso d'aria interessato.

 

Engine_of_F-35.jpg

Ma son cose già dette e non è il caso di tornarci su.

Edited by Flaggy

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Più il diametro si riduce e più può aumentare il numero di pale e la velocità di rotazione e di conseguenza la velocità di crociera evitando problemi di comprimibilità all'estremità delle pale.

 

 

 

cosa sono i problemi di comprimibilità delle pale ?

 

hanno a che vedere col fatto che l'estremità delle pale non deve mai arrivare a velocità transoniche / supersoniche ?

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Se è per quello ci arrivano anche...e i problemi di comprimibilità sono proprio quelli che si generano in campo transonico, quando il flusso d'aria non può più essere considerato incomprimibile cioè a densità costante.

E' per quello che le pale sono a forma di falce o di scimitarra: in tal modo il flusso d'aria che le investe all'estremità passa attraverso onde d'urto inclinate invece che perpendicolari. Un po' quello che succede sulle ali a freccia.

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Se è per quello ci arrivano anche...e i problemi di comprimibilità sono proprio quelli che si generano in campo transonico, quando il flusso d'aria non può più essere considerato incomprimibile cioè a densità costante.

E' per quello che le pale sono a forma di falce o di scimitarra: in tal modo il flusso d'aria che le investe all'estremità passa attraverso onde d'urto inclinate invece che perpendicolari. Un po' quello che succede sulle ali a freccia.

 

e pensare che la fluidodinamica sembra una scienza molto intuitiva :rolleyes:

 

più approfondisco e più diventa complicata ...... :pianto:

 

ma molto interessante (ho visto che wikipedia è ricca di pagine sulla fluidodinamica, :helpsmile: voi che siete addentro alle segrete cose , è scritta da gente competente? gli si può credere pari pari?)

 

dasvidaniya :ph34r:

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Ho visto che anche aerei progettati per volare a Mach3 come il mig-31 oramai adottano Turbofan a basso rapporto di diluizione invece di turbojet; è una scelta motivata dal volere, rendimenti accettabili anche a bassa quota e velocità, oppure si è trovato qualche accorgimento per aumentare il rendimento dei turbofan anche a regimi ampiamente supersonici (accorgimenti per rallentare il flusso d'aria prima che arrivi al motore...)

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Il turbofan, per quanto a basso rapporto di diluizione è una scelta obbligata anche per velivoli come il Mig-31. Non solo perchè, come caccia, è importante che abbia una buona efficienza a tutti i regimi di volo, ma anche e soprattutto perchè i motori moderni sono spremuti all'inverosimile e scaldano come dannati ed è importante schermare strutture e impianti dell'aereo da temperature di ingresso in turbina sempre più elevate.

Il turbofan aiuta molto perchè il flusso freddo avvolge completamente e scorre all'esterno delle parti calde come camere di combustione e turbina e inoltre crea anche un benefico raffreddamento dell'ugello di scarico che, essendo a geometria variabile, è un componente relativamente delicato e comunque sottoposto ad usura.

 

Quanto a rallentare il flusso d'aria prima che arrivi al motore, non è che un rapporto di diluizione dell'ordine di 0.57 (un ordine di grandezza meno di un motore civile) crei particolari problemi a delle prese d'aria a geometria varibile come quelle del Mig-31 che a mach 3 manco ci arriva (siamo intorno a mach 2.8...in configurazione pulita).

In fondo il Mig-31, con i suoi D-30F6 era ben più lento di un SR-71 che adottava soluzioni un po' più esotiche con il suo turboreattore J58 a ciclo varibile, pensato espressamente per raggiungere e mantenere a lungo velocità superiori a mach 3.

Edited by Flaggy

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salve ragazzi, sono iscritto da poco e ho tanta passione per il volo, sono davvero contento di essere qui...è un sito davvero bellissimo...

 

voi che siete addentro alle segrete cose , è scritta da gente competente? gli si può credere pari pari?)dasvidaniya :ph34r:

 

in generale si, ma alcuni concetti sono trattati in modo molto superficiale e poco competente, si può trovare di meglio su internet...

 

Il problema dei motori supersonici non è nel motore stesso ma nella presa d'aria.

Una presa d'aria ha il compito di decelerare il fluido in modo isoentropico (senza dissipare energia) fino a numeri di mach prossimi allo zero, solitamente M=0.2.

Le prese d'aria classiche del tipo semplicemente divergenti sono progettate per lavorare a mach bassi e comunque sub-sonici, o meglio ancora numeri di mach inferiori del "numero di mach critico inferiore" del moto. Per numeri di mach maggiori si creano all'interno della presa d'aria delle onde d'urto; tali onde d'urto sono normali e possono trovarsi all'interno della presa d'aria, sul punto d'inizio o staccarsi a valle della presa d'aria a seconda del regime di moto in cui l'aereo si trova (ovviamente il mach per cui l'onda d'urto cambia la sua posizione dipende dalla geometria della presa d'aria). Tali onde d'urto sono molto svantaggiose per il volo, esse producono a valle delle stesse una riduzione di pressione di ristagno che significa una perdita di energia disponibile nel flusso d'aria e che può essere sfruttata dal motore, in particolare nelle prese d'aria per motori sub-sonici le onde d'urto sono normali e quindi del tipo più dissipativo possibile perché generano un urto di tipo forte. Nonostante ciò le prese d'aria sub-soniche si usano anche per velivoli trans-sonici e leggermente super-sonici (fino a M=1.2).

Per numeri di mach maggiori si usano prese d'aria convergenti-divergenti a corpo centrale. In pratica sono come le prese d'aria subsoniche ma presentano al loro interno una spina (una rampa) con un angolo noto e che dipende dal tipo di motore e dalla geometria della presa d'aria e che ha lo scopo di produrre invece che un onda d'urto normale una serie di onde d'urto oblique inclinate di un angolo che è pari ad arcsin(1/M).

Tale presa d'aria comporta problemi legati alle dissipazioni di energia che si generano, in fatti in questo tipo di prese d'aria la configurazione di progetto è quella per cui l'onda d'urto sia ingoiata all'interno della presa d'aria; per fare ciò bisogna prima di tutto portare il numero di mach al di sopra di quello di progetto per far ingoiare l'onda d'urto e poi farlo diminuire fino al mach di progetto per portare l'onda d'urto nella sezione di gola della presa d'aria; un altro metodo è quello di usare una presa d'aria a spina variabile, ciò consente di far variare la sezione di gola cosi da far ingoiare l'onda d'urto per numeri di mach relativamente bassi, per poi riportarsi alla condizione di progetto.

Ovviando al problema del flusso e della presa d'aria si può usare, in teoria, qualunque tipo di motore.

 

Spero di essere stato chiaro e di aver aggiunto qualche cosa al valore della discussione.

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se non sbaglio la geometria del condotto convergente-divergente può essere di tipo variabile, in modo da ottimizzare il moto del fluido (o meglio il processo di trasformazione da energia cinetica a potenziale -> leggi pressione a monte del compressore) per più quote e/o velocità.

 

dico bene?

 

ritornando in tema, nonostante lo svantaggio dovuto alla maggiore complessità, il rendimento maggiore dei turbofan rispetto ai turbogetto (ormai in disuso e limitati ad essere utilizzati solo in pochissime tipologie di velivoli), fa gola nelle applicazioni militari, perchè l'aereo consumando meno può partire più leggero oppure portare più armamento, oppure andare più lontano.

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se non sbaglio la geometria del condotto convergente-divergente può essere di tipo variabile, in modo da ottimizzare il moto del fluido (o meglio il processo di trasformazione da energia cinetica a potenziale -> leggi pressione a monte del compressore) per più quote e/o velocità.dico bene?

 

 

Si è corretto, anche se la sezione variabile si usa per gli ugelli e solo raramente per le prese d'aria.

Per una presa d'aria le condizioni vengono adattate in base al numero di giri della turbina. In caso sia necessaria più aria si aumentano i giri della turbina (invece di aumentare la sezione) se c'è bisogno di una portata d'aria minore si riducono i giri della turbina (invece che ridurre la sezione) ovviamente la spinta dipende dalla portata d'aria che entra nel motore quindi aumentando o diminuendo i giri della turbina si regola la portata di aria necessaria (ci si riconduce quindi alla condizione di progetto) e si varia la spinta (cosa molto logia!!!).

Come detto prima la sezione variabile si usa per gli ugelli ed in particolare solo per gli ugelli semplicemente divergenti; per un ugello convergente-divergente è molto difficile realizzare una sezione variabile e in pratica non si realizza mai in quanto gli inconvenienti tecnici da gestire sono molto complessi.

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Come detto prima la sezione variabile si usa per gli ugelli ed in particolare solo per gli ugelli semplicemente divergenti; per un ugello convergente-divergente è molto difficile realizzare una sezione variabile e in pratica non si realizza mai in quanto gli inconvenienti tecnici da gestire sono molto complessi.

Scusa, ma non mi è chiaro questo passaggio: gli ugelli di scarico non sono semplicemente divergenti, ma convergenti se i gas combusti escono subsonici (l'espansione in subsonico si ottiene con la riduzione di sezione).

Gli ugelli convergenti-divergenti, in grado di espandere ulteriormente i gas e di espellerli a velocità supersoniche, sono invece sempre a geometria variabile, almeno nelle applicazioni tipiche.

Quello che è difficile negli ugelli convergenti-divergenti è slegare la sezione d'uscita da quella di gola per ottimizzare i paramentri, cosa che s'è potuta fare per esempio nell'ultima evoluzione dell'EJ-200 che oltre che essere a spinta vettorabile ha anche la capacità di regolare la sezione di gola indipendentemente da quella d'uscita...ma questa versione è di là da venire...

 

Beyond the baseline case the TVN includes a pro-baseline configuration offering the ability to alter the divergent section exit area as well as vectoring thrust and altering the throat area. To achieve this the outer ring is split into top and bottom halves and four actuators (in the N, E, S and W positions) are utilised (see CAD diagram to right, bottom picture). By moving each actuator in a unified/combined manner the thrust can be vectored and the throat area altered. However by moving just the N and S actuators the split ring hinge can be opened and closed. In turn this moves the upper and lower strut series either in or out opening or closing the exit area. In a traditional Con-Di nozzle the exit area is directly related to the throat area. The problem with this approach is that it is extremely difficult to optimise the nozzle shape to different flight profiles, e.g. subsonic cruise, supersonic dash. By allowing dynamic control of the exit area the nozzle shape can be altered on the fly. According to ITP this allows for significant improvements in achievable thrust in all flight profiles.

 

http://typhoon.starstreak.net/Eurofighter/engines.html

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Scusa, ma non mi è chiaro questo passaggio: gli ugelli di scarico non sono semplicemente divergenti, ma convergenti se i gas combusti escono subsonici (l'espansione in subsonico si ottiene con la riduzione di sezione).

Gli ugelli convergenti-divergenti, in grado di espandere ulteriormente i gas e di espellerli a velocità supersoniche, sono invece sempre a geometria variabile, almeno nelle applicazioni tipiche.

Quello che è difficile negli ugelli convergenti-divergenti è slegare la sezione d'uscita da quella di gola per ottimizzare i paramentri, cosa che s'è potuta fare per esempio nell'ultima evoluzione dell'EJ-200 che oltre che essere a spinta vettorabile ha anche la capacità di regolare la sezione di gola indipendentemente da quella d'uscita...ma questa versione è di là da venire...

 

 

 

http://typhoon.starstreak.net/Eurofighter/engines.html

 

 

In parte hai ragione tu ma non su tutto.

Premetto che anche io ho fatto un po di confusione e mi sono dovuto rispolverare qualche vecchio appunto per correggere il mio errore.

Per quanto riguarda la presa d'aria supersonica vale quanto detto sopra, bisogna però aggiungere che il movimento della spina avanti o dietro fa variare la sezione di gola (area variabile) e cosi facendo fa variare la posizione dell'onda d'urto nel condotto riportandola alla condizione di progetto. Poi un secondo accorgimento, ovvero una valvola di by-pass regola la portata d'aria.

 

Per quanto riguarda gli ugelli, invece, essi sono semplicemente convergenti per flussi di uscita sub-sonici o al massimo sonici nella sezione d'uscita.

Per un uscita supersonica l'ugello deve essere convergente-divergente. In particolare, siccome i gas di scarico sono certamente sub-sonici c'è bisogno di un primo tratto convergente che porti il flusso ad una velocità sonica; in particolare la velocità sonica deve essere raggiunta nella sezione di gola. In tale sezione di gola viene anche posizionata la spina mobile.

Tale spina ha il compito di variare questa sezione di gola, che è anche sonica, variando l'inclinazione della prima onda d'urto che in condizioni di progetto deve essere inclinata di:

 

arcsin(1/M) --> M=1 --> arcsin(1) = 90°

 

il tratto successivo che è divergente viene solitamente tagliato in quanto l'80% dell'espansione avviene nel primo tratto della lunghezza della spina, quindi il gas quando arriva all'uscita non ha completato interamente il processo di espansione per tanto genera un ventaglio di espansione alla Prandtl-Mayer generando un incremento di spinta che bilancia quanto perso per la mancata espansione. Il vantaggio di questo tipo di ugello è proprio nel fatto che consente di avere la stessa spinta ma con un tratto divergente molto breve quindi con un peso minore ed un ingombro minore.

 

credo che cosi sia giusto, almeno cosi è stato detto a me :D

 

Per quello che c'è scritto nel sito, quando parla di sezione di uscita e parla di variazione di area si riferisce ad una piccola variazione (in percentuale) e non è certo paragonabile alle variazioni di area che si ottengono con la spina mobile nelle sezioni di gola. Più che di una variazione di area vera e propria (chiusura o apertura di un condotto) si parla di una contrazione della sezione di uscita...

Edited by borntofly

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ora è chiaro:

 

coincide con quello che ricordo vagamente delle lezioni di fluidodinamica ;)

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In parte hai ragione tu ma non su tutto.

E quale sarebbe la parte in cui non avrei ragione?

Gli ugelli più semplici sono convergenti (e non divergenti come hai scritto tu) e quelli convergenti-divergenti di motori comunissimi come F-100, F-110, EJ-200, F-119 ed F-135 sono a gemetria variabile (e tutt'altro che rari come hai scritto tu).

Non mi pare di aver detto qualcosa di diverso. ;-)

 

PS: il sito non dice che il nuovo ugello varia di poco la sezione di gola, ma che questa può essere variata indipendentemente da quella d'uscita grazie agli aggiustamenti consentiti dal sistema di 4 attuatori.

Come normale in un ugello convergente-divergente la sezione di gola varia e quella d'uscita poi varia enormemente come si vede in questo F-100 che la spina non ce l'ha di certo.

 

Edited by Flaggy

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E quale sarebbe la parte in cui non avrei ragione?Gli ugelli più semplici sono convergenti (e non divergenti come hai scritto tu) e quelli convergenti-divergenti di motori comunissimi come F-100, F-110, EJ-200, F-119 ed F-135 sono a gemetria variabile (e tuttaltro che rari come hai scritto tu).Non mi pare di aver detto qualcosa di diverso. ;-)

 

 

come ho già ammesso ho fatto un po di confusione ma poi mi sono corretto....

mentre i motori che tu citi sono ad area variabile non a geometria variabile....almeno a me hanno sempre detto che sono due tipi di fenomeni diversi tra loro...

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mentre i motori che tu citi sono ad area variabile non a geometria variabile....almeno a me hanno sempre detto che sono due tipi di fenomeni diversi tra loro...

Sono a geometria variabile e ad area variabile e sono il più classico esempio di motori da caccia. Le sezioni di gola e di uscita sono regolabili con un sistema di petali mobili e il condotto si trasforma da convergente a convergente/divergente a seconda del regime di funzionamento e senza la necessità di alcuna spina. Praticamente lo standard di riferimento in questo genere di realizzazioni.

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forse geometria variabile è più vago come termine, mentre area variabile indica chiaramente la grandezza fisica interessata

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Certamente, comunque ugello a geometria variabile è un una definizione piuttosto comune e che non da molto spazio a fraintendimenti. Insomma dire ugello a geometria variabile non è improprio come dire ala a geometria variabile (più corretto a freccia variabile visto che a rigore anche l'estensione di un ipersostentatore varia la geometria).

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Sono a geometria variabile e ad area variabile e sono il più classico esempio di motori da caccia. Le sezioni di gola e di uscita sono regolabili con un sistema di petali mobili e il condotto si trasforma da convergente a convergente/divergente a seconda del regime di funzionamento e senza la necessità di alcuna spina. Praticamente lo standard di riferimento in questo genere di realizzazioni.

 

Questa discussione era cominciata sui motori turbofan poi chiarito questo argomento siamo passati agli ugelli, chiarito anche questo argomento siamo passati a dire se esistono o meno ugelli ad area variabile piuttosto che parlare del loro funzionamento :D

 

Cmq voglio approfittare per chiarire l'ultimo dubbio che mi è rimasto sugli ugelli.

Flaggy lo chiedo a te perché sei molto preparato (per questo ti ho citato), il mio dubbio è il seguente:

 

Un aereo dotato di ugello variabile con petali mobili come dici tu, è inizialmente fermo. Lentamente aumenta il numero di giri del motore e acquista velocità. Nelle prime fasi di volo il moto è subsonico (per quanto veloce possa accelerare ci sarà comunque un intervallo di tempo in cui la velocità è subsonica) e sfrutta un ugello di tipo convergente in cui la sezione finale dell'ugello è sezione di gola (leggi anche sezione critica e al più sezione sonica). Questo tipo di ugello va bene fin quando i gas in uscita sono subsonici e raggiungono una velocità in uscita che è al massimo sonica. Se aumenta ancora la velocità i gas raggiungono sempre una velocità sonica nella sezione di uscita (perché essendo l'ugello semplicemente divergente quella è sezione di gola) e la restante espansione avviene come ventaglio di espansione sul bordo dell'ugello.

 

Questa parte di ragionamento è giusta vero?

 

Poi, ipotizziamo che l'ugello sia a geometria variabile quindi possa variare (tramite il meccanismo dei petali, come si vede anche dal video) la sua sezione di uscita.

E anche fin qui ci siamo.

Quello che non mi è chiaro è come posso vanirsi a creare una sezione di gola all'interno dell'ugello. Ovvero cerco di spiegarmi meglio. Abbiamo detto che aumentando la sezione di uscita l'ugello diventa convergente-divergente, ma per essere tale deve presentare una sezione di gola che prima non c'era (ugello semplicemente convergente) come nasce fuori questa sezione di gola? Come viene a crearsi? Con quale meccanismo si regola?

 

Spero di aver posto bene la domanda, il mio non è essere petulante è solo una curiosità che mi è venuta e sono certo che saprete rispondermi per chiarire ogni mio dubbio.

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Beh, i petali interni sono in due sezioni, una che parte dall’inizio dell’ugello e arriva fino a dove si può generare la sezione di gola e l’altra dalla sezione di gola a quella d’uscita.

I petali di ciascuna sezione si sovrappondono (in modo maggiore o minore al variare delle sezioni) e quelli contigui delle due sezioni sono incenierati fra loro.

Il tutto è controllato da martinetti che lavorano ad aria compressa (come quelli dell’F-100 che ha un caratteristico sibilo quando varia la sezione) oppure usando come fluido idraulico lo stesso carburante.

Esiste un complesso cinematismo esterno ai petali con leverismi e cerniere che collega fra loro e varia le sezioni di gola e di uscita.

Quella della prima foto è un'immagine 3D dell'ugello dell'F-100 in alcune della varie configurazioni che può assumere.

 

k1p4l4.jpg

 

La seconda immagine è invece tratta da un richiesta di brevetto per un ugello raffreddato ma dove si può vedere una tipica configurazione del cinematismo collegato alle due sezioni di petali interni.

Poi esistono anche dei petali esterni che carenano tutti i cinematismi e raccordano l'ugello con la fusoliera, adattandosi alle varie sezioni di uscita e che sono quelli più facilmente visibili osservando un motore di questo tipo.

 

6779336-0-large.jpg

Edited by Flaggy

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