Honda, focus tecnico sull’utilizzo del compressore assiale

Honda, focus tecnico sull’utilizzo del compressore assiale

Uno degli argomenti di discussione più in voga in questo Campionato 2015 di Formula 1 è quello di capire quali siano le soluzioni estreme ed eventualmente rivoluzionarie su cui la Honda abbia basato il progetto della sua Power Unit. Oramai, infatti, l’approccio giapponese è chiaro e può essere così sintetizzato: “abbiamo progettato un motore fantastico, con soluzioni innovative che ci porteranno un grosso vantaggio APPENA riusciremo a calibrarle al meglio”, suscitando la curiosità di tecnici, opinionisti e fan su quali possano essere queste scelte tecniche.

Negli ultimi giorni sta rimbalzando da più parti l’indiscrezione che il turbocompressore della Power Unit Honda preveda un compressore assiale, in luogo del classico compressore radiale centrifugo utilizzato dagli altri motoristi ed in tutto il mondo automotive. A rilanciarla ci sono stati anche i colleghi di Autosport con le loro autorevoli voci tecniche, quindi l’idea è da considerare. Facciamone un’analisi dal punto di vista teorico ed ingegneristico per capire quanto possa essere plausibile.

Dal punto di vista costruttivo, come è intuibile dalla denominazione, il compressore assiale prevede un flusso che entra nella turbomacchina in direzione assiale e ne esce compresso secondo la stessa direzione; invece, il compressore radiale centrifugo vede l’aria entrare dal centro della girante ed essere “sparata fuori” da essa radialmente.

Detto questo, ciò che differenzia maggiormente le due tipologie è che un compressore assiale, per garantire un rapporto di compressione di 2 bar (circa il valore riscontrato in F1), richiede una configurazione multi-stadio, ovvero con più compressori assiali in serie. Ciò è dovuto prettamente a motivi di fluidodinamica interna del compressore ed alla tipologia dello scambio di lavoro con le pale; in effetti il compressore assiale è capace di comprimere grosse portate d’aria con un ottimo rendimento, ma di fornire loro solo piccoli delta di lavoro meccanico, cosa che quindi limita la sovrappressione ottenuta. L’inverso accade con un compressore centrifugo, capace cioè di fornire alti rapporti di compressione ma a portate ridotte.

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Se la configurazione multistadio è accettabile nel campo delle grosse turbine a gas per produzione elettrica oppure nei motori aeronautici, nel campo automotive ciò non è pensabile, anche perché a parità di sovrappressione garantita, il compressore assiale risulta più pesante, meccanicamente più sollecitato (quindi meno affidabile) e più costoso di un corrispondente compressore centrifugo. Quel che se ne guadagnerebbe, sfruttando un compressore assiale, è la sua ridotta inerzia di rotazione dovuta alle più contenute dimensioni radiali della girante, il che permetterebbe al compressore stesso di rispondere meglio e prima ad un aumento del carico del motore: in parole povere si riduce il turbo lag e si ottiene una più incisiva risposta al transitorio di accelerazione del motore, eliminando il più fastidioso difetto del turbocompressore.

Ovviamente la Formula 1, al di là degli intenti di chi la governa, non ha assolutamente problemi con gli alti costi delle componenti estreme, pertanto potrebbe presentarsi un motorista che decida di puntare sui benefici di un compressore assiale, sostenendone i costi. Cosa lo ferma? Il regolamento:
“5.1.6 Pressure charging may only be effected by the use of a sole single stage compressor linked to a sole single stage exhaust turbine by a shaft assembly parallel to the engine crankshaft…”
Che, tradotto, il punto 5.1.6 ci dice che sia il compressore che la turbina debbano essere monostadio. Ciò, di fatto (anche se indirettamente), impedisce l’utilizzo di un compressore assiale ad Honda ed a tutti gli altri motoristi del Campionato di Formula 1. Dal punto di vista regolamentare, invece, non è ancora chiaro se un compressore del tipo Honeywell “dual sided”, cioè con due giranti di compressore in configurazione spalla-a-spalla (sulla sinistra, immagine seguente), sia o no da considerare come multi-stadio.

C’è però un’altra possibilità, remota (ed ora vedremo perché) ma da considerare. Quando si parla del valore limite del rapporto di compressione che un compressore assiale può dare, ci si sta riferendo al caso più comune e tecnologicamente più maturo, ovvero ai compressori subsonici. Ciò vuol dire che il flusso d’aria elaborato nel compressore avrà una velocità inferiore a quella critica, ovvero inferiore alla velocità del suono a quelle condizioni di temperatura, e quindi un numero di Mach minore di 1. Ma non esiste solo questo caso: si sono infatti studiate altre tipologie di compressore, in cui viene forzata la quota di lavoro meccanico trasferita al fluido, aumentandola, e comportando di conseguenza una velocità del flusso più elevata. Si hanno quindi i compressori transonici (ovvero col numero di Mach nel range tra 0,9 e 1,1 Mach), che sono studiati da più tempo e stanno entrando in commercio in alcune applicazioni particolari, ed anche i compressori supersonici (con numero di Mach ben superiore ad 1), che sono attualmente studiati nel campo della ricerca.

Queste configurazioni più spinte permettono i seguenti rapporti di compressione (per singolo stadio):
– Compressore subsonico commerciale: 1.05–1.2
– Compressore transonico aeronautico: 1.15–1.6
– Compressore supersonico (prototipi da ricerca): 1.8–2.2

Come vediamo, un compressore supersonico può effettivamente fornire, in un unico stadio, il grado di sovralimentazione che serve in una applicazione come quella della Formula 1 e, quindi, Honda avrebbe potuto optare per una soluzione del genere. Una curiosità da notare sui compressori supersonici è che, a causa del superamento della velocità del suono all’interno della schiera di pale, si ha la formazione di onde d’urto; nel caso specifico si tratta di onde d’urto oblique, sfruttate dai progettisti per aumentare la pressione del fluido evolvente (ma che contemporaneamente adducono tanti problemi perché sono un fenomeno instabile e poco prevedibile).

C’è comunque da notare che la complessità progettuale e soprattutto costruttiva (ergo costi elevatissimi) di componenti del genere sarebbe enorme, tanto probabilmente da impedirne una efficace applicazione. Un altro limite è quello delle condizioni estremamente variabili di portata che un compressore facente parte di un gruppo turbocompressore si trova ad affrontare: la portata d’aria in ingresso al motore, alle varie percentuali di carico ed ai diversi regimi di rotazione del motore, varia moltissimo il suo valore (anche di 80 volte) ed i compressori assiali lavorano in maniera accettabile solo in un ristretto campo di portate, del tutto incompatibile quindi con le condizioni di un motore a combustione interna.

L’ultima ipotesi tecnica da analizzare è il compressore in configurazione “mixed flow”: in sostanza si tratta di una via di mezzo tra la configurazione radiale e quella assiale, un compromesso tecnico che prova a prendere quanto di positivo c’è da entrambe le soluzioni. In questo caso ci sarebbe la possibilità di lavorare in un range più esteso di portate d’aria e quella di garantire sufficienti incrementi di pressione per singolo stadio (pregi del compressore centrifugo), il tutto con una macchina dalla dimensione radiale più contenuta rispetto al compressore centrifugo in modo da minimizzare l’inerzia rotazionale e di conseguenza il turbo lag (pregio del compressore assiale). Sembra una soluzione ideale ma non priva di problemi in quanto è una scelta tecnica abbastanza “nuova” e pertanto richiede di affrontare alcuni problemi progettuali inediti.

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Per tutto quanto è stato detto, l’indiscrezione sul compressore assiale di Honda sembra da lasciar cadere perché poco plausibile, mentre qualche punto percentuale di probabilità in più è posseduto dalla configurazione mixed flow, che comunque richiederebbe una fase progettuale molto attenta. Il mondo delle competizioni nasce però proprio per portare evoluzione tecnologica ed innovazione, questo non bisogna mai dimenticarlo; pertanto può essere che Honda stia provando effettivamente una di queste soluzioni così estreme per il proprio compressore e che, superati i problemi iniziali (di questa e di altre componenti), avrà un grandissimo successo. Solo il tempo ce lo dirà, l’interesse per questa Formula 1 non può che giovarne!

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