Cu toate că este scurtă, istoria turbomotoarelor este una dintre cele mai spectaculoase, atât din perspectivă soluțiilor constructive cât și din cea a tehnologiilor asociate cu acestea. Motoreactorul lui Henri Coandă avea o arhitectură diferită de cea a unui turbomotor, însă invenția sa a fost cea care a tăiat „nodul Gordian” al sistemelor de propulsie reactive cu aproape un sfert de secol înainte ca știința materialelor să permită dezvoltarea de aliaje care să se preteze la turbinele de gaze.
La scurt timp după introducerea lor în aviația militară, în 1937, turbomotoarele au fost adoptate și de aviația civilă, ajungând să înlocuiască aproape complet motoarele cu piston până spre sfârșitul anilor ’50. Acestea nu s-ar fi putut menține în lipsa unor avantaje majore ale turbomotoarelor, densitate de putere și randament propulsiv. Forța de propulsie a turbomotoarelor moderne este asigurată în proporție de 80% de un ventilator frontal care este la rândul său antrenat printr-o turbină de gazele de ardere, acestea din urmă realizând restul de 20% din forța motorului.
Turboventilatoarele de mâine
În privința randamentului propulsiv, majoritatea inventatorilor (și birourilor de proiectare) s-au concentrat asupra creșterii factorului de dublu-flux (raportul dintre debitul de aer antrenat de ventilator și cel al gazelor arse și destinse în turbină). Dacă la început, în anul 1943, acest factor era subunitar (aproximativ 0,7:1), aviația modernă utilizează astăzi turbo-ventilatoare cu rapoarte de 6-8:1, reducând astfel simțitor consumul de combustibil.
La începutul anilor 2000, a fost lansat consorțiul pan-european SILENCE(R), (în care țara noastră a fost reprezentată de INCDT Comoti) care țintea un raport de dublu-flux de 12:1 – UHBR (Ultra-High By-Pass Ratio). După cum sugerează și numele, turbomotorul revoluționar avea să reducă și nivelul de zgomot, pe lângă performanțele deosebite din punct de vedere propulsiv.
Diametrul final al motorului este un factor limitativ serios pentru configurația clasică a aeronavelor de transport, unde motorul este instalat sub aripă, care este și ea apoape de sol. Astfel că soluția din cadrul proiectului SILENCE(R) este rezervată avioanelor cu o configurație aerodinamică la rândul ei revoluționară.
Turboventilatorul contrarotativ
O altă configurație de turbomotor pentru generația viitoare de aeronave a fost studiată în cadrul programului VITAL, unde producătorul francez Snecma a condus un consorțiu internațional din care, din nou, a făcut parte și INCDT Comoti. Soluția adoptată în acest caz este una simplă, dar ingenioasă: ventilatorul contrarotativ.
Nu doar gabaritul este cel care limitează creșterea debitului de aer pentru turbo-ventilatoarele clasice, ci și viteza periferică. Din rațiuni de siguranță și de eficientă, vârful paletelor de ventilator trebuie să gestioneze regimul transonic, acesta fiind unul deosebit de instabil și ineficient.
Prin înlocuirea statorului cu un rotor contra-rotativ se realizează două obiective: obținerea unui grad de comprimare mai bun pe treapta de ventilator (deci și o forță de propulsie mărită) și axializarea curgerii. Axializarea reprezintă orientarea fileurilor de aer pe direcția de mișcare a avionului, astfel încât impulsul acestora să se regăsească în forța de propulsie, fără a se pierde din mișcarea de rotație.
Alte configurații au fost de asemenea propuse pentru eficientizarea propulsiei aeronautice, dintre care amintim ventilatorul fără carcasă (propfan), similar configurației VITAL, dar cu paletele neintubate. Avantajul acestei configurații este consumul specific foarte mic, iar problema principală – nivelul de zgomot prea ridicat.
Ventilatorul antrenat prin reductor (geared fan) este o idee mai veche a constructorilor nord-americani care, până de curând, nu a putut fi aplicată la motoarele de mari dimensiuni, din considerente mecanice. Odată însă cu dezvoltarea metalurgiei, precum și a tribologiei (știința interacțiunii dintre suprafețe în mișcare), această temă pare din ce în ce mai plauzibilă.
Dincolo de 2020
Consensul în rândul industriei aeronautice la nivel mondial este că paradigma actuală – atât în ceea ce privește arhitectura turbomotoarelor, cât și pe cea a aeronavelor – se apropie de limite. Principalii constructori estimează ca termen de implementare a cercetărilor prezentate mijlocul anilor 2020, în special datorită standardelor de siguranță din industria aerospațială.
Consorții internaționale, precum TIDE (Tangențial Impulse Detonation Engine), conduse de cercetători români, țintesc mai departe în timp în încercarea de a perfecționa motoarele cu ardere în undă de detonație. Avantajul principal al acestui tip de combustie este că, în unda de detonație, presiunea crește brusc până la valori deosebit de înalte – ceea ce sporește randamentul termodinamic al ciclului după care funcționează motorul. Asemenea presiuni ar fi imposibil de obținut folosind doar compresoare de aer clasice.
Desigur, problemele tehnologice asociate cu asemenea motoare sunt încă greu de depășit, însă chiar la sfârșitul anului trecut au fost validate numeric toate subansamblele unui demonstrator.
Institutul Comoti, succesor (în domeniul propulsiei aerospațiale) al institutului INCREST, creat de Henri Coandă spre sfârșitul anilor ’60, continuă tradiția de inovare și inventică în domeniul turbomotoarelor, fiind un partener de încredere în cadrul diverselor consorții de cercetare pan-europene, încă de la începutul anilor ’90.
Datorită standardelor de siguranță din industria aerospațială, proiectele de inovare în care INCDT Comoti a fost implicat vor vedea lumina zilei în aplicații comerciale de-abia la finele anilor 2020, după aproape trei decenii de dezvoltare, perfecționare și testare continuă.
