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Il gigante della foresta

A 20 km a est di Varsavia, in una località che si chiama Zielonka, meno di quattro anni fa esisteva solo una foresta - di quelle popolate da piante conifere che di inverno imbiancandosi ricordano paesaggi siberiani - e poco distante un poligono militare. Ci sono voluti investimenti per 55 milioni di euro per realizzare il più grande impianto Cold Flow del vecchio continente e gli sforzi di un cospicuo gruppo di ingegneri, guidati da Robert Boroch. “Polonia Aero è ufficialmente operativo dall’inizio del 2016, questo è l’impianto più moderno al mondo per la sua tipologia. E siamo orgogliosi di cominciare il primo vero test di sviluppo con il GE9X, la nuova generazione di motori per il Boeing 777-X.”

Ovvio, non potrebbe essere altrimenti per Boroch e il suo team con cui ha passato giorni e  nottia installare e studiare le caratteristiche e funzionalità di questo “banco prova” enorme, partendo dalla sperimentazione sulla turbina del GEnx. E adesso si trova a studiare da vicino uno dei componenti, quale è la LPT (low pressure turbine), di cui Avio Aero non solo è responsabile di design e costruzione per più parti della stessa, ma anche proprietario dell’assemblaggio e consegna del modulo finito alla casa madre.  La LPT è il componente centrale di un motore che accompagnerà una miriade di voli transoceanici e intercontinentali, come ha egregiamente fatto, e continua a fare con il record mondiale, il suo predecessore GE90. 

Ai più non sarà esattamente chiaro che cosa sia una  Cold Flow Test Facility, ma usando termini semplici si può spiegare come un impianto che simula le condizioni atmosferiche di decollo, crociera e atterraggio al fine di testare una turbina di bassa pressione di dimensioni reali o in scala. Quest’ultimo è proprio il caso della LPT del GE9X, che in scala 1:1 presenta un diametro massimo di circa due metri. “Il compito principale della turbina” spiega Maciej Konopa, Aerodynamic engineer GE9X Testing, “è quello di far funzionare il fan, quindi il motore, è dalla LPT che passa l’aria e dove si produce la spinta. Chiamiamo questo impianto Cold Flow perché qui non c’è combustione, ma la temperatura che raggiunge l’aria qui dentro è tutt’altro che fredda: parliamo di 650° K (circa 377° C ndr.).”

A view of the test room entrance

Per testare questo componente, dunque, è stato necessario costruire un mastodontico “banco di prova” all’interno di uno stabilimento che occupa oltre 35 mila mq, cui viene fornita una energia elettrica della potenza di 45MW. Per dare l’idea: la famosa turbina a gas di GE, LM2500+G4, che motorizza ad esempio navi lunghe più di 140mt, pesanti quasi settemila tonnellate, sviluppa al massimo 35 MW. La Cold Flow simula l’aerodinamica (in ogni punto della turbina) e  la fluidodinamica (relativa al flusso d’aria) per isolare la turbina e testarne le capacità di efficienza e performance

“Eseguiamo dei test per rilevare l’impatto del rumore generato dalla turbina sull’ambiente, e infine verificare che le tecnologie messe a punto sulla turbina corrispondano ai vantaggi che vogliamo offrire ai nostri clienti” continua a spiegare Maciej.  Aero design, è così che viene chiamata la tipologia di prove che si eseguono sul 9X a Zielonka. Queste ultime sono quelle che riguardano principalmente la fase di crociera, “è ovvio che il motore genera una grande potenza al decollo, ma è anche vero che la maggior parte del tempo che trascorre in operatività a oltre 11mila metri è quello durante il volo. È lì che la turbina deve essere più efficiente possibile, con il minor consumo possibile di carburante, quando il motore svolge il suo compito più impegnativo. È un po’ quello che si fa quando compri un’auto nuova” conclude Maciej, “provi a guidarla a basso regime, poi ad accelerare, ad aumentare o diminuire il gas…ecco è un po’ quello che cerchiamo di simulare qui con il flusso d’aria!”.

Sembra molto facile, detto in questi termini, ma si tratta di interpretare una mole impressionante di dati relativi alla pressione dell’aria, a come questa agisce su ogni singola parte della turbina di bassa pressione, a studiare le risposte fisiche dei singoli componenti della turbina stessa (ogni pala, ogni statore e ogni stadio) a determinate condizioni atmosferiche, di temperatura e  di pressione dell’aria simulate nella test room.

Guardando la turbina al centro della sala, attraversata da giganteschi condotti d’aria e tubature si notano delle strutture metalliche circolari pesantemente strumentate. Si tratta del Circular Traversing System: anelli meccanici che permettono di posizionare e orientare automaticamente alcuni degli oltre mille sensori dedicati alla turbina. E anche di analizzare il flusso d’aria in entrata e in uscita, su cinque sezioni del condotto principale che gestisce e simula il flusso prima e dopo della turbina (entrata e uscita).

I sensori che sondano il flusso d’aria nelle diverse sezioni inviano dati ai sistemi di acquisizione, ovvero i computer e la console della control room, attraverso frequenze di campionamento (quelle che misurano segnali fino a 500 kHz) e possono generare da 2 a 3 terabyte di dati che sono poi condivisi e analizzati con altri test engineers in GE Aviation. “Abbiamo progettato un sistema capace di posizionare sensori con grande accuratezza, comandato e monitorabile da una control room in cui il test engineer ha la possibilità di gestire l’intero impianto” spiega Alessandro De Grassi, Responsabile Tecnico di Loccioni. Quest’ultima è un’impresa italiana, leader nella progettazione e produzione di impianti e sistemi automatici per la misura e controllo qualità. Insieme ad Avio Aero ha progettato e realizzato banchi hi-tech su misura per testare componenti e moduli di motori aeronautici, come ad esempio il TP400 o l’ Advanced TurboProp. “Lo Stargate, come siamo soliti chiamare il Circular Traversing System, è capace di adattarsi ai diversi diametri della turbina e delle condutture d’aria, sebbene quelle di Zielonka rappresentino un primato quanto a dimensioni.”

The compressor room at the Polonia Aero facility

Forze e flussi d’aria che scorrono veloci, per inerzia, che formano attrito, vortici o che si addensano con il cambiare delle condizioni. Pioggia, freddo, vortici, correnti e tutto quello che può capitare in alta quota, più in alto del Monte Everest o del K2, a una velocità di oltre 800km/h. A questo è sottoposto un modello in scala della turbina di bassa pressione del GE9X, a forze incredibili che, a Zielonka, si propagano attraverso delle tubature mastodontiche giunte tramite enormi bulloni esagonali e che si innalzano fino a5 metri. Con tante altre condutture sotterranee creano un labirinto di aria compressa e incapsulata capace di una portata d'aria di 80Kg per secondo

Il test article del GE9X è la turbina di bassa pressione che è stata costruita in scala 1:2 da diversi team di design di Avio Aero dislocati tra Rivalta, Bielsko Biala, Brindisi e Zielonka: un lavoro che richiede una interconnessione tecnica tra gli addetti ai lavori che deve essere molto accurata. “Oltre a disegnarlo e a scegliere i materiali più idonei” spiega Luca Morciano del  team ingegneria di Brindisi, dove è stato assemblato in un’ultima istanza il test article, “è necessario strumentarlo, ovvero inserire lungo il flusso d'aria nella turbina una serie di sensori, con assoluta precisione poiché saranno fondamentali per la rappresentatività dei dati di test confrontati con il design finale e la turbina reale”.

“Ma qui a Zielonka non eseguiamo solo attività di test” dice, a proposito di design, Magdalena Sowinska Designer Engineer. “Ci sono CAD designer e Stress Engineers qui che studiano e disegnano anche moduli turbina e persino trasmissioni meccaniche per nuovi prodotti sia di GE Aviation sia di clienti terze parti.”

Si avverte una forte voglia di crescere parlando con gli ingegneri che lavorano a Zielonka, e in primis ascoltando Robert Boroch: “vorremmo cercare di portare nella nostra struttura le turbine a gas per generazione di potenza e turbine di programmi motoristici, in modo da incrementare la nostra competenza insieme alla nostra offerta di servizi”. Il gigante della foresta è pronto per tante altre prove. 

The Polonia Aero team awarded for EHS and Safety excellence

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