Ge Aerospace ha testato con successo un turbofan ad alto bypass per applicazioni commerciali integrando nell’architettura una macchina elettrica in grado di disaccoppiare regime di funzionamento e potenza richiesta senza dover prevedere un sistema di accumulo di energia.
Soluzione che potrebbe portare a un miglioramento dell’efficienza termodinamica dei motori turbogetto usati nel settore commerciale riducendo consumi ed emissioni fino al 20 per cento
La propulsione ibrida elettrica per l’aviazione commerciale è una delle frontiere tecnologiche più difficili da approcciare in campo aeronautico. Complessità dei sistemi, potenze in gioco e affidabilità, senza dimenticare i problemi legati a masse e volumi di eventuali accumulatori, le principali criticità dell’elettrificazione di tali motorizzazioni. In questo contesto si segnala Ge Aerospace avendo recentemente portato a termine uno step importante nella messa a punto di una nuova generazione di turbine a gas derivate da modelli già utilizzati nel settore, ma integranti sistemi elettromeccanici atti ad aumentarne l’efficienza di funzionamento con l’obiettivo di ridurre consumi e abbattere le emissioni di gas serra dei voli di linea.
In collaborazione con la Nasa, nell’ambito del progetto “Hybrid Thermally Efficient Core”, in sigla “HyTEC”, e come parte del più ampio programma di collaborazione con l’azienda francese Safran Cfm International all’interno del quale si colloca il progetto “Rise”, “Revolutionary Innovation for Sustainable Engines Program”, Ge Aerospace ha testato al banco un motore turbofan ad alto bypass modificato per funzionare sfruttando una componente elettrica in grado di estrarre, trasferire e iniettare potenza elettrica all’interno del ciclo propulsivo durante i transitori di funzionamento.
Dal punto di vista ingegneristico tale ibridazione non va interpretata come una sostituzione della turbina a gas con una macchina elettrica, ma come un’evoluzione di un’architettura propulsiva nota finalizzata a disaccoppiare parzialmente la produzione di potenza dalle richieste istantanee di spinta. Il principio chiave del progetto è insito l’ottimizzazione del funzionamento del core termico dell’unità, ossia del gruppo compressore-camera di combustione-turbina ad alta pressione, che nei turbofan tradizionali è costretto a seguire direttamente i transitori di carico richiesti dal pilota. In un motore a reazione convenzionale la curva di efficienza della turbina a gas, intesa come rendimento complessivo di conversione dell’energia chimica del combustibile in potenza meccanica utile sull’albero, presenta un massimo ben definito in corrispondenza di specifici regimi di rotazione e rapporti di compressione.
Allontanandosi da questo punto ottimale, per esempio durante il decollo, le rapide variazioni di spinta o le fasi di salita e manovra, il motore opera in condizioni di carico parziale o transitori che comportano un aumento del consumo specifico e un peggioramento dell’efficienza termodinamica. Nei turbofan tradizionali ciò è inevitabile, perché, come accennato, la turbina deve rispondere direttamente alle richieste di potenza imposte dal pilota e la variazione di portata d’aria e combustibile comporta inevitabilmente inefficienze temporanee legate ai tempi di risposta fluidodinamici e termici del compressore e della camera di combustione.
L’architettura ibrida sviluppata da Ge Aerospace introduce invece una macchina elettrica integrata coassialmente sull’albero del sistema e in configurazione motore/generatore sincrono a magneti permanenti o a eccitazione controllata. Il gruppo può operare in modo bidirezionale permettendo la realizzazione del disaccoppiamento tra regime di funzionamento e potenza richiesta, soluzione che rappresenta uno degli elementi più innovativi e meno immediatamente intuitivi dell’architettura ibrida. In modalità generatore, la macchina elettrica sottrae una quota di potenza alla turbina convertendola in energia elettrica. In modalità motore, può invece fornire coppia direttamente all’albero, supportando la turbina nelle fasi di elevata richiesta o durante i transitori. Questa integrazione consente di intervenire direttamente sul bilancio di coppia dell’albero, secondo una logica in cui la coppia prodotta dalla turbina non deve più bilanciare esclusivamente il carico aerodinamico del compressore e dei sistemi ausiliari, ma può essere compensata o integrata dalla componente elettrica.
Dal punto di vista fisico, il “decoupling” avviene quindi non tramite un disaccoppiamento meccanico, come frizioni o trasmissioni variabili, ma attraverso una sovrapposizione elettromeccanica di coppia. In condizioni di aumento rapido della richiesta di potenza, per esempio durante fasi di accelerazione o variazioni di assetto, la macchina elettrica può fornire coppia aggiuntiva all’albero, riducendo la necessità di incrementare immediatamente il flusso di combustibile e limitando i transitori termici nel core. Viceversa, quando la richiesta di potenza diminuisce o si stabilizza, la stessa macchina può assorbire coppia, operando come generatore e modulando il carico visto dalla turbina senza costringerla a uscire dal proprio campo di funzionamento più efficiente.
Questa integrazione consente una ridefinizione del bilancio energetico del motore. In pratica, la turbina può essere mantenuta in una zona della mappa di funzionamento caratterizzata da miglior rendimento termico, minori temperature di combustione e minore stress meccanico, mentre la macchina elettrica gestisce i picchi di potenza richiesti dal sistema propulsivo. Si riducono così ampiezza e frequenza dei transitori rapidi di accelerazione e decelerazione del core che sono tra i principali responsabili dell’aumento dei consumi e dell’usura nei motori aeronautici. Con l’ibridazione, una parte di questa dinamica viene “filtrata” elettricamente. La risposta immediata è affidata alla macchina elettrica, mentre la turbina può adattarsi in modo più graduale, mantenendo condizioni di funzionamento più stabili.
Questo effetto può tradursi in riduzioni significative nei consumi di carburante e nelle emissioni di anidride carbonica e di ossidi di azoto, con stime preliminari di risparmio del carburante nell’ordine del cinque-dieci percento rispetto alle configurazioni convenzionali, con possibilità di raggiungere quote anche del 20 per cento. Il motore ibrido esaminato nei test, basato su una versione modificata del turbofan “Passport”, ha superato i criteri di performance indicati dalla Nasa, dimostrando capacità di gestione dell’energia estratta e reinserita nel ciclo turbofan senza l’ausilio immediato di batterie. Questo risultato è significativo perché affronta uno dei principali limiti tecnici delle architetture ibride. La dipendenza da accumulatori di grande capacità, la cui densità energetica attuale rappresenta un vincolo per l’aviazione commerciale di lungo raggio.
Con un sistema che può funzionare anche senza un accumulatore dedicato, Ge Aerospace e la Nasa si avvicinano a una soluzione pragmaticamente integrabile nei motori di linea nei prossimi anni. Un ulteriore aspetto ingegneristico rilevante è la gestione della sovralimentazione elettrica. Nei concetti più avanzati, l’energia elettrica generata può essere utilizzata per alimentare sistemi ausiliari elettrici ad alta potenza o, in architetture future, per supportare la compressione dell’aria in ingresso tramite e-compressori, migliorando il controllo del flusso e ampliando ulteriormente il campo di funzionamento efficiente del motore. Questo approccio contribuisce a migliorare i limiti di pompaggio del compressore e ad aumentare la stabilità del ciclo termodinamico su un intervallo più ampio di condizioni operative.
L’evoluzione di questa tecnologia si colloca nel contesto più ampio delle iniziative per l’elettrificazione dell’aviazione, in cui Ge Aerospace sta investendo in una serie di dimostratori che spaziano da sistemi ibridi di classe megawatt per velivoli regionali, a soluzioni di powertrain elettrico ibrido per velivoli avanzati e anche applicazioni militari. Parallelamente, progetti come “Electrified Powertrain Flight Demonstration”, “Epfd”, prevedono test sia a terra sia in volo per dimostrare la fattibilità di queste architetture integrate su piattaforme sperimentali modificate, offrendo una roadmap concreta per l’introduzione di sistemi ibridi nella flotta commerciale del prossimo decennio.
Titolo: Turbofan ibrido Ge Aerospace: mild hybrid dei cieli
Autore: Redazione
