Differenze tra le versioni di "Ugello di scarico"

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[[ImmagineFile:F-15 Eagle nozzle details.jpg|thumb|Ugelli di scarico convergenti-divergenti a geometria variabile di un [[McDonnell Douglas F-15 Eagle|F-15 Eagle]].]]
[[ImmagineFile:Raketendüse.jpg|thumb|L'Ugello di un razzo [[Ariane]] (parte divergente).]]
L''''ugello''' è il componente dei [[motore a reazione|motori a reazione]] nel quale si ottiene la trasformazione di [[energia termica]] in [[energia cinetica]] al fine di produrre la [[spinta]] mediante l'espulsione ad alta [[velocità]] di un [[fluido]] propulsivo.
 
== Principio di funzionamento ==
La trasformazione di energia termica in energia propulsiva avviene attraverso un processo di espansione del flusso, per questo motivo tale trasformazione risulta controllata dalla [[pressione]]. Il comportamento dell'ugello può essere studiato in prima approssimazione attraverso le equazioni del [[flusso quasi-unidimensionale]], quindi con le ipotesi di flusso [[trasformazione isoentropica|isoentropico]], stazionario (ovvero dove le grandezze fisiche non dipendono dal [[tempo]]) e di fluido propulsivo assimilabile ad un [[gas ideale]].
 
A causa del suo [[lavoro (fisica)|lavoro]] di espansione, la geometria dell'ugello stabilisce la portata in massa del fluido che può scorrere attraverso tutto il motore.
 
Si utilizzano differenti tipi di ugello a seconda delle applicazioni. Nelle applicazioni aeronautiche (cioè sui differenti motori della famiglia dei [[motore a getto|getti]]), l'ugello è solitamente posizionato a valle della turbina, ed il suo ruolo, pur rimanendo il medesimo per tutti i motori a getto, risulta diverso seconda che il motore sia uno [[statoreattore]], un [[turbogetto]], un [[turboventola]], un [[turboelica]] odo un [[turboalbero]]. Infatti nello statoreattore l'intero [[entalpia|salto entalpico]] (energia ceduta dalla corrente al motore, la quale è usata per la propulsione) viene sfruttato nell'ugello, mentre nei turbogetti una parte del salto entalpico viene sfruttato dalla [[turbina]], che lo impiega per trascinare il [[compressore]].
 
L'entità del salto entalpico utilizzato dalla turbina risulta ancora maggiore per i turboventola, nei quali la turbina deve azionare oltre al compressore, anche la ventola. Nei turboelica rappresenta l'80 o 90% del salto entalpico disponibile, mentre nei turboalbero l'intero salto entalpico disponibile è utilizzato dalla turbina, per cui in questo caso l'ugello funge semplicemente da condotto di scarico.
 
[[ImmagineFile:Boeing 787 engine chevrons.jpg|thumb|Un ugello di scarico a lobi di un [[Boeing 787]].]]
 
Per queste applicazioni aeronautiche, attualmente un notevole sforzo è dedicato a ridurre il rumore derivante dall'interazione del getto di scarico con l'ambiente esterno. In questo contesto, è stata recentemente proposta l'adozione dei cosiddetti ''chevron nozzles''<ref>[http://www.hq.nasa.gov/office/aero/news/vol1iss2/jetnoise.htm NASA Aerospace Technology News<!-- Titolo generato automaticamente -->]</ref>, ovvero di [[flabello|flabelli]] o lobi sul bordo esterno che concorrono a migliorare la miscelazione dello scarico con l'atmosfera e che consentono di ridurre significativamente la rumorosità con una perdita di spinta limitata allo 0,25% circa.
 
== Geometria dell'ugello ==
[[ImmagineFile:Vector-nozzle-sea-harrier-jet-common.jpg|thumb|Ugello di scarico di un [[Sea Harrier]] ad inclinazione variabile.]]
[[ImmagineFile:F-35B Joint Strike Fighter (thrust vectoring nozzle and lift fan).PNG|thumb|Ugello di scarico del [[Lockheed Martin F-35 Lightning II]], anch'esso a geometria variabile.]]
[[ImmagineFile:Desert KC-10 engine change.jpg|thumb|Tecnici dell'Aeronautica USA al lavoro su un motore di una [[aerocisterna]] [[McDonnell Douglas KC-10 Extender|KC-10]]. Da notare l'ugello di tipo concentrico.]]
[[ImmagineFile:F-22F119.JPG|thumb|Ugelli di scarico di un [[Lockheed-Boeing F-22 Raptor]] a sezione rettangolare]]
[[ImmagineFile:Twin Linear Aerospike XRS-2200 Engine edit.jpg|thumb|Ugelli di scarico a sezione rettangolare a spina centrale detta ''aerospike''.]]
 
Gli ugelli di scarico hanno forma e dimensioni diverse a seconda dei propulsori in cui vengono adottati:
* sui turbogetti tradizionali e sui turboelica spesso sono installati ugelli convergenti a geometria fissa;
* i motori [[turboventola]] a flussi separati adottano ugelli coassiali in cui il flusso principale viene espulso dall'ugello centrale mentre il flusso secondario da quello esterno;
* nei motori turboventola a flussi associati i flussi vengono miscelati nella parte iniziale di un unico ugello e quindi espulsi.
 
I turboventola con postcombustore e gli statoreattori quasi sempre adottano ugelli convergenti-divergenti a geometria variabile. La geometria variabile rende tali ugelli più pesanti di un equivalente a geometria fissa, ma fornisce prestazioni migliori in un campo di condizioni di volo meno restrittivo degli ugelli a geometria fissa.
Recentemente sono stati studiati ed impiegati ugelli a sezione rettangolare, anziché circolare, che permettono di deflettere facilmente il getto per indirizzare con un certo angolo la direzione della spinta.
 
=== Ugello convergente ===
[[ImmagineFile:Convergent nozzle outflow diagram.jpg|thumb|Andamento della portata di un ugello convergente (in rosso l'andamento reale, in nero quello della funzione <math>\dot m</math>).]]
Secondo le approssimazioni di [[flusso quasi-unidimensionale]], sufficientemente accurate all'interno del condotto dell'ugello di scarico per descrivere il flusso reale, il [[numero di Mach]] massimo che è possibile raggiungere nella sezione di gola è unitario (la velocità del flusso in questa sezione cioè è pari alla [[velocità del suono]]). Questo perché il flusso subsonico, in un condotto convergente, viene accelerato ed aumentando la pressione all'inizio dell'ugello (o, il che è lo stesso, diminuendo la pressione esterna) la velocità di efflusso tende ad aumentare sino a che, sulla sezione dove la velocità è massima, la sezione di gola appunto, la velocità raggiunge la velocità del suono. Da questo valore in poi le variazioni di qualsiasi [[grandezza fisica]] a valle della sezione sonica non possono più risalire la corrente verso monte (queste variazioni viaggiano con la velocità del suono infatti) e perciò non modificano più il flusso, che si dice appunto congelato o in ''choking'' (anche in italiano è diventata di uso comune l'espressione ''gola in choking'' o ''soffocata'' per designare questo fenomeno).
 
dove con ''u<sub>e</sub>'' si è indicata la velocità di efflusso. Nel primo caso quindi il secondo termine è nullo, mentre nel secondo caso è positivo. Malgrado il termine aggiuntivo, nel secondo caso la spinta è minore di quella che si avrebbe con un ugello adattato a causa della minore velocità di efflusso ottenuta.
 
=== Ugello convergente-divergente o de Laval ===
{{Vedi anche|ugello de Laval}}
[[ImmagineFile:Nozzle - density flow.png|thumb|Andamento qualitativo della densità di un ugello di un motore a razzo (si noti la sottoespansione, ovvero il flusso viene espanso ad una pressione e ad una temperatura più alte dell'ambiente esterno)]]
Quando il rapporto di espansione da ottenere diviene troppo elevato (maggiore di 1,8, si veda il paragrafo precedente) è necessario aggiungere una '''sezione divergente''' all'ugello di scarico. In questa sezione ha luogo un'espansione supersonica, se la gola è in saturazione (ovvero a Mach = 1).
 
In un ugello di scarico convergente-divergente di geometria tipica è possibile individuare quattro zone:
* il convergente
* la regione di gola
* la zona di espansione
* la zona di conversione del flusso in una corrente uniforme e per lo meno in prima approssimazione, parallela all'asse dell'ugello.
 
All'interno del convergente il fluido è dotato di una velocità bassa, di conseguenza la progettazione di questa parte dell'ugello segue le leggi dei flussi subsonici, con l'obiettivo di realizzare un condotto assial-simmetrico, con superfici prive di irregolarità.
L'ultima parte dell'ugello è conformata in modo che non rifletta le onde che incidono sulle pareti, per ottenere una corrente uniforme in direzione assiale e per minimizzare la componente di velocità in direzione radiale, che non dà contributo alla spinta.
 
=== Ugello a cono, corpo o spina centrale ===
[[ImmagineFile:Non-truncated toroidal aerospike nozzle.jpg|thumb|Ugello di scarico a cono centrale di un missile a propellente solido]]
{{...}}
 
== Ugelli a geometria variabile ==
[[ImmagineFile:Iris vectoring nozzle.jpg|thumb|right|Ugello di scarico di un turboventola. Si tratta di un ugello di scarico a geometria variabile e vettorizzabile.]]
In quasi tutti gli [[aeroplano|aeroplani]] moderni, soprattutto quelli militari da [[aereo da caccia|caccia]], si impiegano ugelli a geometria variabile. Questi sono particolari ugelli dove il tratto divergente è formato da petali, di solito all'esterno sono visibili come un cono convergente, i quali hanno la possibilità di muoversi, facendo in modo che la sezione d'uscita, ma soprattutto la sezione di gola, si restringa o si allarghi al variare della pressione esterna.
 
Sarebbe molto proficuo poter usare questo tipo di ugelli anche nel campo spaziale, soprattutto in considerazione del fatto che un veicolo spaziale si trova ad operare in condizioni assai diverse, attraversando le varie zone dell'atmosfera, ma peso, ingombro e complessità ne limitano l'impiego al settore aeronautico.
 
=== Ugelli a spinta vettoriale ===
[[ImmagineFile:Su-30MKI tail.jpeg|thumb|Particolare ugello a spinta vettorizzabile di un [[Sukhoi Su-30|Sukhoi Su-30MKI]] dell'[[india]]na [[Bhāratīya Vāyu Senā]].]]
{{Vedi anche|spinta direzionale}}
{{...}}
 
== Note ==
<references/>
 
* [[Ugello spruzzatore]]
 
== Altri progetti ==
{{interprogetto|commons=Category:Rocket engines}}
 
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