AOPA Magazine: Motori a Turbina turboprop

Quante volte abbiamo sentito parlare di motori a turbina meglio conosciuti come turboprop? Per andare alla simulazione in FS 2020 incontriamo questo tipo di motore nel Dhaer 930, nel KingAir 350, nel Cessna 208.
L'articolo che leggerete, tratto da AOPA Turbine di Aprile (per chi volesse leggere la versione originale clicchi qui) cercherà di spiegare la complessità di questi motori, soprattutto  l'aspirazione dell'aria che poi alimenta vari sistemi. 

I motori a turbina creano potenza ingerendo enormi quantità di aria e comprimendola per bruciarla nelle loro camere di combustione.

Prendono così tanta aria e creano così tanta potenza che parte dell'aria compressa può essere aspirata per essere utilizzata nei sistemi degli aeroplani, spesso senza compromettere in modo significativo le prestazioni. Questa aria extra, chiamata bleed air, viene prelevata dagli stadi delle sezioni del motore e può essere utilizzata per pressurizzare la cabina, gonfiare i cosiddetti deice boot dei dispositivi, riscaldare il bordo alare anteriore e persino gonfiare le guarnizioni delle portiere.

Nella serie PT6A di motori turboelica di Pratt & Whitney, la bleed air del compressore gioca un ruolo fondamentale nell'erogazione del carburante al motore. I motori PT6 dotati di unità di controllo del carburante "Fuel control Unit" (FCU) di Woodward Inc. utilizzano la bleed air per inviare quantità calibrate di carburante alle camere di combustione di questi motori. Nascosta nella scatola dei componenti del motore, la FCU è piccola, efficiente e affidabile. Ma è anche complessa. Qualcuno potrebbe dire che ha le sue qualità Rube Goldberg.  

Il compito principale della FCU è quello di prendere il carburante senza limiti proveniente dalla pompa del carburante azionata dal motore e convertirlo in un flusso di carburante calibrato agli ugelli che poi l'iniettano al motore. In altre parole, per fornire la corretta quantità di carburante per una data impostazione di potenza. Sembra semplice? Non lo è. Il funzionamento della FCU dipende da un complicato equilibrio di variabili.

La FCU utilizza una configurazione a membrana e molla. Il carburante in ingresso spinge il diaframma e la molla, che racchiude un soffietto alimentato dall'aria di spurgo, spinge contro di esso per mantenere il flusso di carburante desiderato al motore. In questo modo, la pressione del carburante in entrata bilancia la pressione della bleed air in entrata. Nel frattempo, per evitare che una quantità eccessiva di carburante non misurato entri nella FCU, c'è una valvola di bypass che lo rimanda alla pompa del carburante. E per evitare situazioni di sovrapressione della bleed air, c'è una valvola di sfogo. 

L'illustrazione sopra si concentra sul flusso attraverso la stessa unità di controllo del carburante e sul ruolo dell'aria dalla sezione del compressore del motore; l'illustrazione in basso a destra mostra l'impianto idraulico e i componenti dell'intero sistema di controllo del carburante PT6.

Per quanto riguarda il funzionamento della valvola di dosaggio, la FCU utilizza cilindri gemelli concentrici, uno dentro l'altro. Ciascuno ha un foro e il flusso di carburante al motore dipende dalle loro relative posizioni. Quando il pilota aggiunge potenza, l'aumento della pressione dell'aria di spurgo (bleed air) fa espandere il meccanismo della molla / soffietto, provocando il sollevamento del cilindro interno e lo scorrimento dei fori, creando un passaggio più ampio per il carburante. Se si tira indietro la leva di alimentazione il cilindro si abbassa spostando i fori fuori allineamento riducendo il flusso di carburante. Il pilota aumenta o diminuisce il flusso di carburante generato dall'aria di spurgo dalla FCU ogni volta che avanza o ritrae la leva o le leve di alimentazione.

Queste FCU forniscono un servizio affidabile da anni, ma se c'è una perdita di aria di spurgo o una perdita nel soffietto, la molla risponderà collassando e invierà il cilindro interno verso il basso. Questo allontana i fori l'uno dall'altro, producendo un flusso di carburante sotto il minimo. La potenza del motore diminuisce istantaneamente. Per il pilota sembrerà una situazione di motore spento. Nelle situazioni peggiori, come una perdita di potenza immediatamente dopo il decollo, il pilota deve valutare rapidamente il problema, mantenere il controllo e la velocità, ed eseguire in modo impeccabile la lista di controllo del motore per avere qualche possibilità di salire in sicurezza.

Questo presuppone che tu stia pilotando un bimotore turboelica. Si potrebbe sostenere che in un bimotore, avere il motore in funzione potrebbe darti una possibilità di combattere per salvare la situazione. Il problema è che è normale che i piloti trascorrano diversi secondi preziosi in confusione e spavento. Dopo il decollo, a bassa quota, sarebbe un enorme fattore di rischio.

E se volassi con un turboelica monomotore? Gli aeroplani come la serie Daher TBM o Pilatus PC-12 sono dotati di un sistema di override manuale (MOR). MOR fornisce una connessione meccanica alla FCU tramite una leva MOR separata accanto alla leva di alimentazione convenzionale. In caso di una perdita di potenza improvvisa, altrimenti inspiegabile, si può provare a utilizzare la leva di alimentazione convenzionale per ottenere una risposta del motore. Se non funziona, sblocca il MOR e fallo avanzare lentamente. C'è una zona morta all'inizio dello spostamento in avanti del MOR, ma a metà spostamento il MOR dovrebbe riportare il motore alle condizioni di volo.

Ora l'FCU apporta cambiamenti di potenza lentamente, altrimenti si verificheranno grandi sbalzi di tensione. Quando si riduce la potenza, non lasciare che la velocità del generatore di gas (NG) scenda al di sotto del 75 percento (PC-12) o del 51 percento (TBM), per evitare che la velocità del motore scenda al di sotto dei minimi. E dopo l'atterraggio, ricorda che la spinta inversa non sarà disponibile.

Simcom Aviation Training, che fornisce addestramento basato su simulatore per Piper Cheyennes alimentato da PT6A, Beechcraft King Airs, più TBM e PC-12, sottolinea i fallimenti della FCU nei suoi corsi pilota. Le procedure di spegnimento del motore vengono riviste, così come le operazioni MOR nella TBM e nel PC-12, e ci sono molte opportunità di sperimentare improvvise perdite di potenza in varie fasi del volo. 

I guasti della FCU causati da perdite bleed air sono stati come casi sospetti in diversi guasti al motore dopo il decollo nei bimotori turboelica. Finora, il National Transportation Safety Board deve ancora individuarli come cause o fattori di incidenti. Tuttavia, le analisi ingegneristiche hanno attirato l'attenzione sulle perdite bleed air della FCU come potenziali problemi. Il solo pensiero di un'improvvisa perdita di potenza vicino al suolo, in salita e alle velocità di salita, dovrebbe essere una motivazione sufficiente per garantire l'istruzione del pilota e le sessioni di pratica.  

Per chi volesse approfondire l'argomento sui turboelica può leggere questo interessantissimo tutorial in italiano cliccando sul link md80.it