Appunti Fondamenti di propulsione

Fondamenti di propulsione

Appunti del corso “Fondamenti di macchine e propulsione”

Parte “Fondamenti di propulsione”

Corso tenuto dal Prof. Dario Pastrone

Gregorio Stiuso

Fondamenti di propulsione Prof. Dario Pastrone

Indice

• 2. Classificazione propulsori ........................................................................................................ 1
• 2.1 Prestazioni specifiche ................................................................................................................. 1
• 2.1.1 Turbogetto..................................................................................................................................... 1
• 2.1.2 Turboshaft ..................................................................................................................................... 2
• 2.1.3 Turboprop (turboelica) ........................................................................................................... 3
• 2.2 Costo della spinta ........................................................................................................................ 3
• 2.3 Rendimento termico ..................................................................................................................... 4
• 2.4 Rendimento propulsivo .............................................................................................................. 5
• 2.5 Rendimento globale .................................................................................................................... 7
• 3. Turboshaft ............................................................................................................................................. 8
• 3.1 Schema turboshaft ...................................................................................................................... 9
• 3.2 Ciclo turboshaft ......................................................................................................................... 10
• 3.3 Prestazioni turboshaft ........................................................................................................... 10
• – Presa d’aria (diffuser) 0 → 1 3.3.1 ............................................................................................. 1
• – 1 → 2 3.3.2 Compressione adiabatica ....................................................................................... 11
• – 2 → 3 3.3.3 Combustione .................................................................................................................. 12
• – 3 → 4 3.3.4 Espansione adiabatica ............................................................................................. 12
• 3.4 Potenza specifica e consumo specifico nel turboshaft ........................................ 13
• 3.5 Influenza dei parametri sulle prestazioni .................................................................. 13
• 4. Turbogetto semplice .................................................................................................................... 15
• 4.1 Schema del turbogetto ........................................................................................................... 15
• 4.2 Prestazioni turbogetto ........................................................................................................... 16
• – 3 → 4 4.2.1 Espansione adiabatica ............................................................................................ 16
• – 4 → 4.2.2 Espansione ugello ...................................................................................................... 17
• 4.3 Contributo alla spinta dei singoli componenti ........................................................ 19
• 4.4 Influenza dei parametri sulle prestazioni .................................................................. 20
• 4.5 Metodi per aumentare le prestazioni .............................................................................. 23
• 4.5.1 Postcombustione ....................................................................................................................... 24
• 4.5.2 Interrefrigerazione ............................................................................................................... 27
• 4.5.3 Rigenerazione ............................................................................................................................. 28
• 5. Turbofan ................................................................................................................................................ 29

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• 5.1 Turbofan a flussi separati .................................................................................................... 30
• 5.2 Turbofan a flussi miscelati .................................................................................................. 31
• 5.3 Prestazioni turbofan ................................................................................................................ 32
• 5.4 Influenza dei parametri di progetto sulle prestazioni on-design del turbofan ................................................................................................................................................. 32
• 5.5 Convenienza del miscelamento .......................................................................................... 34
• 5.6 Scelta del rapporto di compressione del flusso freddo nel caso di flussi separati ................................................................................................................................................... 35
• – 5.7 Confronto turbogetto semplice turbofan a flussi separati ........................ 38
• 6. Turboelica ........................................................................................................................................... 40
• 6.1 Parametri di progetto turboelica .................................................................................... 41
• 6.2 Prestazioni specifiche turboelica .................................................................................... 41
• 6.3 Ciclo turboelica .......................................................................................................................... 41
• 6.4 Suddivisione ottimale dell’espansione .......................................................................... 42
• – 6.5 Confronto turbogetto semplice turboelica .............................................................. 44
• 6.6 Effetti del rapporto di compressione e della temperatura massima .......... 44
• 7. Autoreattore .................................................................................................................................... 45
• 7.1 Schema autoreattore ............................................................................................................... 45
• 7.2 Ciclo ideale dell’autoreattore ............................................................................................ 45
• 7.3 Parametri di progetto dell’autoreattore ...................................................................... 46
• 7.4 Influenza dei parametri di progetto sulle prestazioni on-design dell’autoreattore ........................................................................................................................... 47
• 8. Flusso di Rayleigh .......................................................................................................................... 49

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2. Classificazione propulsori

I propulsori si dividono nelle seguenti categorie:

1. Elica + motore (Propeller propulsion)

La potenza necessaria all’elica può essere fornita da:

• Passeggero
• Motore elettrico (energia solare, celle combustibile)
• Motore alternativo (Reciprocating engine)
• Ibrido
• Turbina a gas

2. Esoreattori (Airbreathing engine, Jet engine)

Basati su turbine a gas (Gas turbine engine) si dividono in:

• Turbogetto (Turbojet) (con o senza afterburner)
• Turboalbero (Turboshaft)
• Turboelica (Turboprop)
• Propfan
• Turbofan

3. Endoreattori (Rocket propulsion)

Possono essere chimici o elettrici e si dividono in:

• = 0) Autoreattore (non fornisce spinta a
• Combustione subsonica (Ramjet)
• Combustione supersonica (Scramjet)
• Pulsoreattore (Pulsojet, Pulse Detonation Engine (PDE))

4. Combinati

2.1 Prestazioni specifiche

2.1.1 Turbogetto

I motori si dividono in due grandi classi in base al ruolo che essi svolgono, ci sono i motori utilizzati per produrre spinta e quelli per produrre potenza. I motori utilizzati per la produzione di spinta sono il turbogetto, il turbofan, il ramjet ecc… essenzialmente.

La spinta a cui ci si riferisce è la spinta netta standard ed essa già costituisce una delle prestazioni del motore, la trattazione fatta nel seguito, però, si svincola dalle dimensioni della macchina per cui vengono introdotte le prestazioni specifiche ed in particolare si fa riferimento alle prestazioni a progetto (on-design).

Si definisce spinta specifica il seguente rapporto: = ȧȧ /.

Dove con si è indicata la portata di aria in ingresso al motore e le dimensioni di tale rapporto è.

I motori possono ospitare due tipi di flusso, uno freddo e uno caldo, quindi in alcuni casi ci si può riferire soltanto ad una delle due portate di flusso. Indicando con il pedice il fluido caldo (core) e con quello freddo (fan) si ha: = ȧ = ȧ 1

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La spinta specifica dalla sua espressione definisce le dimensioni del motore, più il suo valore aumenta, più la portata diminuisce e di conseguenza diminuisce anche la dimensione del motore a parità di spinta, essendo la portata direttamente proporzionale alla sezione.

La spinta specifica del flusso caldo, invece, oltre a definire le dimensioni del core, in cui va inserito il combustibile, esso indica anche il consumo, a parità di spinta. Il consumo a fronte della spinta ottenuta si esprime tramite il seguente rapporto, sempre in termini specifici: ȧ =

Tale consumo specifico viene indicato anche tramite la sigla TSFC (Trust Specific Fuel Consumption) e definendo le seguenti espressioni: ȧ ȧ = = ȧ ȧ

Il consumo specifico si può scrivere anche in termini di spinta specifica: ȧ ȧ 1 1 = = ȧ /( ), /( ℎ),

Le unità di misura utilizzate per esprimere il consumo sono ma più utilizzate sono /( ℎ) /( ℎ).

Sul grafico l’asse delle ordinate, che indica il consumo specifico, l’unità di misura è sottointesa ed è il /( ℎ), ȧ /ȧ mentre sulle ascisse si ha il rapporto.

2.1.2 Turboshaft

Il turboshaft è una macchina utilizzata per la produzione di potenza, quindi per questa classe viene indicata la potenza specifica: 2

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= ȧ–

Il consumo specifico della potenza (BSFC Brake Specific Fuel Consumption) è: ȧ =

2.1.3 Turboprop (turboelica)

Il turboprop (turboelica) è una macchina particolare che produce sia potenza che spinta. La macchina è costituita da un albero a cui è collegata un’elica che produce spinta, però, tale spinta viene generata anche da un ugello posto a valle del motore, quindi è difficile definire le prestazioni specifiche.

Dato che queste macchine producono tanta spinta grazie all’elica (90 ÷ 90), quindi il motore viene visto più come un produttore di potenza che di spinta e la spinta viene tradotta in potenza equivalente. La potenza è somma della potenza che si scarica nell’elica e la potenza legata all’ugello.

equivalente l’ugello e con l’elica ed essendo noto il rapporto potenza su spinta dell’elica, allora: Indicando con = ( ) E tale rapporto vale in qualsiasi condizione di volo. In alcuni casi si preferisce esprimere la potenza il rendimento dell’elica come:

equivalente mediante =

Si hanno, quindi, due casi di potenza equivalente:

= + ≠0

= + ( ) =0

Si definisce potenza specifica il rapporto: = ȧ

E il consumo specifico della potenza equivalente o EBSFC (Equivalent BSFC): ȧ 1 1 = =

2.2 Costo della spinta

Per ottenere della spinta è necessario che il propulsore sia alimentato dal combustibile, il quale fornisce appunto dell’energia. Nel motore viene immessa una certa quantità di combustibile ȧ che possiede un certo potere calorifico, indicato con, quest’ultimo rappresenta l’energia chimica che possiede tale portata di combustibile.

L’energia chimica associata al combustibile entra in camera di combustione, la quale tramite un certo rendimento, detto rendimento di combustione, determina la formazione di un fluido caldo. Se il combustibile viene completamente utilizzato per la formazione del fluido caldo allora il fluido raggiungerà il massimo 3

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calore trasferibile, diversamente verrà rilasciato dell’inquinante nell’aria; in entrambi i casi il fluido ° raggiunge una certa temperatura totale, indicata con. 3 =

Quando il velivolo è fermo sulla pista e attende il segnale dalla torre di controllo per partire la potenza ȧ dissipa tutta quanta, diversamente in volo tale potenza è utilizzata come potenza di spinta per far sì che il velivolo prosegua nel suo moto livellato. Per determinare un collegamento tra la potenza generata dalla combustione e quella necessaria alla spinta viene introdotta la potenza cinetica, indicata con; essa descrive la capacità del motore nel modificare la quantità di moto e l’energia cinetica del fluido. La potenza cinetica è definita come: 1 2 2( ) ≅ ȧ − 2

Il passaggio dalla potenza generata dalla combustione e quella cinetica viene determinato mediante dei cicli, per cui può essere introdotto un rendimento termodinamico e migliore è il rendimento termodinamico migliore è l’effetto utile prodotto in potenza cinetica.

Riepilogando, si ha energia chimica che nel combustore si trasforma in gas caldo, il ciclo termodinamico riceve un certo calore che lo trasforma in lavoro, ossia potenza cinetica. Un ulteriore passaggio è quello che va dalla potenza cinetica alla potenza della spinta, per effettuare ciò si definisce il rendimento propulsivo.

I passaggi sono riassunti in seguito: ȧ − → − →

La potenza cinetica è quindi un intermediario tra due potenze, il passaggio dalla potenza di combustione alla potenza cinetica è un effetto utile, mentre il passaggio dalla potenza cinetica alla potenza di spinta è una spesa.

La spinta netta standard è definita come: ( ) = ȧ + − − ȧ 0 ȧ = ȧ +

Per eseguire un discorso più semplice vengono effettuate delle semplificazioni, quindi essendo ȧ ȧ ≪ ȧ ȧ ≅ ȧ ( = ) e dato che, allora. Inoltre, si considera il caso di ugello adattato quindi sotto 0 queste ipotesi si ha: ( ≅ ȧ − )

Ora è possibile collegare la spinta alla potenza cinetica: 1 1 12 2( ) ( ( ( ≅ ȧ − = ȧ + ) − ) = + ) 2 2 2

Da questa formula si può capire che si consuma di più quando il velivolo va più veloce. A parità di quindi:

• Conviene avere piccole (ma comunque ossia usare grandi portate
• La potenza cinetica cresce all’aumentare della velocità di volo

È necessario ricordare che la potenza cinetica non è la vera spesa ma soltanto un elemento intermediario.

2.3 Rendimento termico

Si definisce rendimento termico la quantità: = 4

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Esplicitando i vari termini si ha: 1 12 2ȧ − ȧ ( + ) + 2 2 = ≅ = ȧ 2 ȧ 2

Il consumo specifico da questa formula si può esprimere come: + = 2

Conoscendo il valore del potere calorifico e il valore della velocità è possibile stabilire il valore limite che ≡ = 1 può assumere il consumo specifico, infatti supponendo di avere un motore ideale e (tale rendimento non può essere mai assunto, nemmeno nel ciclo di Carnot) si trova: 2 ( ) = = 2 = 43 /,

Supponendo potere calorifico dei comuni keroseni, i quali sono delle miscele di = 235 /, idrocarburi, e il valore limite assunto