Il turbofan Kuznetsov NK-93

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Il Kuznetsov NK-93 è un motore aeronautico turbofan ad elevato rapporto di diluizione in fase di sviluppo sin dalla fine degli anni ottanta in Unione Sovietica (ed oggi in Russia), per equipaggiare una classe di aerei da trasporto civili e militari a medio raggio.

L'inedita configurazione lo rende per certi aspetti affine ad un motore propfan col quale condivide il notevole rapporto di bypass e le pale di grande diametro a geometria variabile, ma se ne discosta per la presenza del condotto che racchiude le ventole. Fu sviluppata anche una versione in grado di usare indifferentemente come combustibile GPL o cherosene, cui venne assegnata la sigla NK-94.

Il Kuznetsov NK-93 era un motore aeronautico civile, un ibrido tra un turbofan e un turboelica noto come propfan. Il motore era anche unico nell'avere un condotto separato attorno alle eliche controrotanti, poiché la maggior parte delle altre eliche non sono condotte. Una volta descritto in una rispettata enciclopedia dell'aviazione come "potenzialmente il motore a reazione più efficiente in termini di carburante mai testato", l' NK-93 è stato preso in esame per l’adozione su aerei di linea sovietici/russi come l' Ilyushin Il-96, Tupolev Tu -204 e Tupolev Tu-330. Cinque test del motore in volo furono condotti sull'NK-93 dal mese di dicembre 2006  al mese di dicembre 2008.

Storia del progetto

Sulla base del progetto del motore Kuznetsov NK-92, una turboventola ad alto rapporto di diluizione studiato per equipaggiare un aereo da trasporto strategico che però non vide mai la luce (l'Ilyushin Il-106), nel 1986 sotto la direzione di Valentin Anisimov venne approvato lo sviluppo di un motore turbofan più piccolo, l'NK-93, che aveva nel basso consumo specifico il suo punto di forza.

Nel febbraio del 1988 fu provato per la prima volta il generatore di gas del motore, mentre il prototipo completo girò al banco nell'agosto del 1991. Il 29 dicembre del 2006 iniziarono le prove in volo con un NK-93 montato sull'aereo-laboratorio Il-76LL, ma diversi problemi tecnici (tra cui il notevole ingombro e il peso che lo penalizzano nell'impiego operativo e problemi di affidabilità del riduttore delle ventole) portarono al rallentamento della certificazione che a distanza di anni non è ancora stata raggiunta per motivi tecnologici.

L'NK-93 è stato proposto come motorizzazione alternativa ai turboventola Aviadvigatel PS-90 per l'aereo da trasporto Tupolev Tu-330, ma nel 2009, a causa della mancanza di fondi, venne esclusa la produzione in serie del motore.

Come in alcuni propfan, l'NK-93 è dotato di una coppia di ventole controrotanti collegate, mediante un riduttore di giri, ad un albero mosso da tre stadi di turbina.

Il riduttore epicicloidale a sette satelliti è progettato per trasferire una potenza di 30 0000 cavalli con un limite vita di 20000 ore ed un intervallo di revisione di 7500 ore. La ventola anteriore è dotata di otto pale, mentre la posteriore di dieci, tutte con profilo a sciabola e angolo di calettamento variabile a seconda del regime di funzionamento. Sui prototipi le pale sono costruite in lega di magnesio, mentre era previsto l'impiego di materiali compositi per gli esemplari di produzione.

Le palette ed i dischi del compressore di bassa pressione e dei primi tre stadi del compressore di alta pressione sono costruiti in titanio, mentre i restanti sono in acciaio. Per i dischi della turbina sono usate leghe al nichel, mentre le palette delle turbine di alta e media pressione sono costruite in monocristallo a solidificazione direzionale.

La camera di combustione è di tipo anulare; la versione NK-94 è specificatamente disegnata per impiegare indifferentemente GPL o cherosene.

Sviluppo

Il motore NK-93 è stato sviluppato a partire dalla fine degli anni '80, anche se il design del motore sarebbe stato concepito già nel 1968. Molte delle caratteristiche del design sono state adottate dal Kuznetsov NK-92, il complemento militare all'NK-93. Il nucleo dell'NK-93 doveva costituire le fondamenta di una famiglia di turbofan a trasmissione diretta e di eliche a ingranaggi, che andavano da 11.000 a 22.000 chilogrammi di forza (da 24.000 a 49.000 libbre di forza; da 110 a 220 kilonewton) in spinta. È stato l'ultimo grande progetto del fondatore del Kuznetsov Design Bureau Nikolai Dmitriyevich Kuznetsov.

L'NK-93 era originariamente previsto per i test di volo tra la fine del 1993 e l'inizio del 1994 e la certificazione nel 1997 in modo che potesse essere utilizzato sull'Ilyushin Il-96 M e sul Tupolev Tu-204 M. Entro maggio 1994, erano state costruite sette versioni a grandezza naturale del motore, cinque delle quali vicine alla configurazione di produzione. A causa dello scioglimento dell'Unione Sovietica, tuttavia, il programma è stato ripetutamente ritardato a causa della grave carenza di fondi e di altri problemi. Tuttavia, nell'ottobre 2001, un decimo motore NK-93 era vicino al completamento, su un totale di 15 prototipi di motori pianificati. 

Il motore è stato finalmente sottoposto a test di volo su un velivolo Ilyushin Il-76 LL a partire dal 29 dicembre 2006, con un secondo volo avvenuto il 3 maggio 2007. Sono state pianificate 50 ore di test di volo. I test sono stati nuovamente sospesi nel giugno 2007 a causa di problemi di finanziamento. I test aviotrasportati non sono ripresi fino a ottobre 2008, con voli il 2 ottobre e 6. Un altro volo di prova si è verificato il 15 dicembre 2008, ma l'NK-93 è stato rimosso da il banco di prova entro il 14 maggio 2009. 

I sostenitori dell'NK-93 affermano che la quantità di denaro necessaria per certificare il motore è minuscola rispetto ai costi di sviluppo dei nuovi motori russi concorrenti, che considerano ancora inferiore al vecchio NK-93.  Nell'aprile 2014, la Kuznetsov ha annunciato che avrebbe ripreso a lavorare sul motore NK-93. 

Interessi esteri

La natura avanzata del motore ha attirato l'attenzione di costruttori di aerei e produttori di motori in altri paesi. Nel 1992, l'NK-93 stava già attirando l'interesse dell'industria aeronautica giapponese.  Gli investitori della Corea del Sud erano tra i gruppi che discutevano di investimenti nell'NK-93 al MAKS air show del 2001. Nel 2004, Airbus e il Kuznetsov Design Bureau hanno studiato la fattibilità dell'utilizzo del motore per alimentare gli aerei commerciali Airbus. Il produttore di motori tedesco MTU Aero Engines ha acquistato un rapporto Kuznetsov sulle caratteristiche di rumore del motore NK-93 per 600.000 marchi tedeschi. Quando l'NK-93 è stato mostrato sul dimostratore Il-76LL al MAKS air show del 2007, i produttori di aeromobili cinesi avrebbero fatto una "offerta allettante" per acquistare tutti i progetti e la documentazione dell'NK-93. Nell'ottobre 2013, la Commissione europea ha concesso una borsa di studio di tre anni e mezzo per studiare l' innovativo sistema di ventole controrotanti per motori aeronautici ad alto rapporto di bypass (COBRA). COBRA era un programma cooperativo dell'Unione Europea-Russia per studiare un turbofan controrotante (CRTF) con rapporto di bypass ultra alto (UHBR) simile all'NK-93. Le organizzazioni partecipanti includevano Kuznetsov, CIAM, il produttore russo di eliche Aerosila, il produttore francese di motori Safran (Snecma), il laboratorio aerospaziale francese (ONERA), e il Centro aerospaziale tedesco (DLR).

Progetto

L'NK-93 ha un nucleo che è stato sviluppato dall'NK-110, un propfan Kuznetsov non condotto che non è mai stato costruito. Le sue eliche controrotanti Aerosila SV-92 hanno un diametro di 114 pollici (2.900 mm), hanno otto pale sull'elica anteriore e dieci pale sull'elica posteriore. Il motore ha una spinta nominale di 18.000 kgf (39.700 lbf; 177 kN),  una spinta massima di 20.000 kgf (45.000 lbf; 200 kN), un SFC di crociera di 0,49 kg/kgf-spinta/ora e un decollo SFC di 0,234 kg/kgf-spinta/ora. Il 13% della spinta è prodotto direttamente dal generatore di gas, mentre il resto della spinta è prodotto dalla rotazione delle ventole canalizzate. Le ventole anteriori e posteriori sono entrambe eliche a passo variabile; entro il 1993, le ventole coassiali potevano combinarsi per produrre l'85% della spinta inversa massima desiderata di 4.000 kgf (8.800 lbf; 39 kN), e nel 1995 la capacità di spinta inversa era di 3.800 kgf (8.300 lbf; 37 kN). Il motore ha un rapporto di bypass di 17 ed è progettato attorno a un riduttore epicicloidale da 22.000 kW (30.000 CV) con sette satelliti. 

Applicazioni:

• Antonov An-70 (proposta versione bimotore) 
• Antonov An-124 (proposta rimotorizzazione) 
• Ilyushin Il-76 LL (banco di prova) 
• Iliushin Il-96 
• Sukhoi KR-860 
• Tupolev Tu-154 M3 
• Tupolev Tu-204
• Tupolev Tu-330.

Specifiche

Caratteristiche generali:

• Tipo: elica intubata a 3 alberi , con la ventola anteriore a 8 pale che assorbe il 40% della potenza e la ventola posteriore a 10 pale che assorbe il 60% della potenza 
• Lunghezza: 5,972 m (19,59 piedi; 597,2 cm; 235,1 pollici)
• Diametro dell'elica : 2,9 m (9,5 piedi; 290 cm; 110 pollici) 
• Peso a secco: 3.650 kg (8.050 libbre) 
• Peso dell'elica : 1.000 kg (2.200 lb).

Componenti:

• Compressore: compressore assiale a bassa pressione a 7 stadi; Compressore ad alta pressione a 8 stadi 
• Combustori: anulari
• Turbina: turbina ad alta pressione a 1 stadio, turbina a bassa pressione a 1 stadio, turbina a ventola a 3 stadi.

Prestazioni:

• Spinta massima: 18.000 kgf (40.000 lbf; 180 kN) 
• Rapporto di pressione totale: 37
• Rapporto di bypass: 16,6
• Portata di massa d'aria: 976 kg/s (2.150 lb/s) 
• Temperatura di ingresso della turbina: 1.700°C (3.090 °F) 
• Consumo specifico di carburante: decollo: 6,6 g/(kN⋅s) (0,234 lb/(lbf⋅h));  Crociera: 14 g/(kN⋅s) (0,49 lb/(lbf⋅h)) a Mach 0,75, 14,7 g/(kN⋅s) (0,520 lb/(lbf⋅h)) a Mach 0,8.

(Fonti: Web, Google, Wikipedia, You Tube)