Motori per Aeromobili - Teoria completa

LORO PARTI

Si definiscono:

1. Superficie interpalare: taglia la macchine secondo una superficie cilindrica con asse

coincidente a quello della macchina.

a. La superficie può essere sviluppata in piano producendo schiere (cascade) di

profili;

2. Piano meridiano: contiene l’asse della macchina; 85

Per analizzare l’interazione dinamica fluido-turbomacchina si fissano due sistemi di

riferimento, uno solidale alla cassa e uno al rotore.

1. La velocità di rotazione del rotore rispetto alla cassa valutata sulla superficie

interpalare scelta è quindi una velocità di trascinamento (U).

2. Per la velocità del fluido posso considerare quella relativa al rotore (w) o quella

assoluta (c).

3. Il cosiddetto triangolo delle velocità visualizza la somma vettoriale c=U+w

2-TURBOMACCHINE ASSIALI

2.1-COMPRESSORE

È costruito in più stadi (rotore+statore)

preceduti da un elemento statorico detto

“distributore” (inlet guide van). Quest’ultimo

ha il compito di indirizzare il flusso in modo

ottimale per il 1° stadio.

La velocità del fluido subisce variazioni

nell’attraversamento del compressore, ma si

mantiene costante in valor medio:

1. La velocità aumenta nei rotori grazie

allo scambio di potenza meccanica tra

essi e il fluido;

2. La velocità diminuisce negli statori

(riorganizzano la potenza del

fluido convertendo energia cinetica

in pressione).

Tra entrata e uscita di ogni stadio abbiamo

quindi una variazione di velocità nulla. Si

fa in modo che accada questo perché ci

interessa aumentare la pressione e non

l’energia cinetica (cosa che comporterebbe

anche un aumento di perdite).

I canali palari sono divergenti, sia nei rotori che negli statori e quindi in essi abbiamo diffusione

(essendo il flusso sempre subsonico nel compressore): 86

1. La pressione statica infatti, dopo

una prima discesa nel distributore

(funziona da ugello) cresce sia nei

rotori che negli statori.

2. Questa scelta è tipica dei

compressori, in cui conviene

mantenere un gradiente di

pressione positivo di entità

limitata per evitare fenomeni di

distacco dello strato limite.

Note:

1. Le palette statoriche sono calettate

sulla cassa del motore (housing);

2. Le palette diventano via via più corte negli

stadi. Questo si può capire dalla relazione

che ci dà la portata in condizioni

(̇ = ):

stazionarie la portata non

varia, la velocità assiale nemmeno e la

densità del fluido aumenta per cui l’area di

passaggio del fluido deve necessariamente

diminuire.

3. I profili del rotore sono indirizzati in modo

da essere “compatibili” con le velocità relative w (questo perché i rotore ruota con una certa

velocità tangenziale U) mentre quelli dello statore con le velocità assolute c;

4. I rotori sono formati da dischi su cui ho delle palette che possono essere:

a. Di pezzo (configurazione blisk): cioè saldate o, soprattutto per dischi piccoli, ottenute

per lavorazioni meccaniche del disco;

b. Montate: nel disco sono presenti delle cave in cui si innesta per scorrimento assiale la

radice “a coda di rondine” del rotore, e si fissa con una chiavetta di fermo (in modo

da impedire gli spostamenti assiali.

i. Il montaggio è con gioco per renderle smontabili e perché ciò è funzionale

contro i trafilamenti;

ii. Le palette e le cave sono numerate, in modo da poterle rimontare allo stesso

modo dopo uno smontaggio ed evitando così di dover riequilibrare l’albero. 87

2.2-VENTOLA

È un compressore assiale aperto composto

da un unico rotore. Ha le palette più

lunghe del compressore e quindi più

soggette a sollecitazioni flessionali. Per

questo si usano spesso degli anelli di

supporto intermedi che aumentano la

rigidezza dell’assemblato.

2.3-TURBINA

È anch’essa spesso realizzata in più stadi, inversi

rispetto al compressore (STATORE+ROTORE)

mentre la numerazione segue sempre lo stesso

ordine.

La velocità viene mantenuta circa costante (come

prima) mentre la pressione viene diminuita

aumentando l’energia cinetica. Di conseguenza

quindi lo statore deve funzionare e avere la

forma di un ugello (area convergente).

Spesso si usano rotori con profilo “a cucchiaio”

(configurazione ad azione), con un’area

interpalare circa costante: quindi la pressione

statica rimane costante in essi. Concentrando la

variazione di pressione solo negli statori ho

prestazioni migliori per la turbina;

1. Ciò può essere fatto solo per la turbina

perché i gradienti di pressione sono

negativi e quindi non si presentano

fenomeni di distacco dello strato limite; 88

2. Realizzando salti di pressione maggiori

in modulo rispetto a un compressore

posso limitare il numero di stadi della

turbina che infatti sono sempre in

numero molto minore rispetto a quelli

del compressore.

Note:

1. Per le stesse relazioni fatte prima sulla

formula della portata le palette

diventano sempre più grandi

avanzando lungo l’asse.

2. Il primo rotore è la parte più complessa

e costosa della turbina perché le palette

affrontano gas a temperature elevate (in

uscita dalla cdc).

3-TURBOMACCHINE RADIALI

3.1-COMPRESSORE RADIALE (o centrifugo)

Ogni stadio è costituito ancora da rotore+statore ma non è presente il distributore.

Il rotore è detto “girante” e nella sue architettura si distinguono due parti:

1. INDUTTORE (inducer): accoglie il flusso nella zona più vicina all’asse del motore e

lo invia ai canali palari con minori perdite possibili (quindi svolge il compito del

distributore);

2. Una seconda parte di architettura soltanto radiale: in questa zona avviene il

maggior aumento di pressione e velocità;

Lo statore, detto DIFFUSORE, è circonferenziale alla girante e distanziata da essa da

un’intercapedine.

1. L’intercapedine serve a evitare interferenza meccanica e a dare inizio a un primo

processo di diffusione. Infatti la velocità in uscita dalla girante è spesso supersonica,

quindi se avessi subito palette statoriche si svilupperebbero onde d’urto che causano

un crollo nella pressione totale. Con l’intercapedine invece il flusso può decelerare

fino allo stato subsonico.

a. Questi gioco però favorisce il trafilamento;

2. I canali del diffusore sono divergenti, quindi in essi si ha diffusione. 89

Uscita dal diffusore l’aria entra nel COLLETTORE, cioè un canale che raccoglie il flusso

compresso e lo indirizza al successivo stadio o alla camera di combustione (a volte sono

presenti tanti canali quante sono le camere di combustione).

Note:

1. Alcune configurazioni prevedono un diffusore non palettato: esternamente alla

girante c’è un ambiente libero in cui si ha diffusione. Queste configurazioni

richiedono però ingombri radiali maggiori e quindi si preferiscono quelle con le

palette. 90

3.2-TURBINA RADIALE

Il fluido caldo in pressione viene distribuito da un diffusore, i cui condotti funzionano da

ugello (convergenti), a un girante

3.3-CONFRONTO MACCHINE ASSIALI E RADIALI

1. Nelle applicazioni aeronautiche sono moto più diffuse le macchine assiali,

soprattutto per la semplicità con cui possono essere messi in serie:

a. Un singolo stadio radiale ha un rapporto di compressione maggiore dello

stadio assiale (fino a 4). Tuttavia la messa in serie di macchine radiali richiede

ingombri maggiori e maggiori perdite (per i numerosi reindirizzamenti del

flusso) quindi per rapporti di compressione richiesti maggiori di 4 si usano

macchine assiali in serie;

2. Le macchine assiali hanno anche rendimenti maggiori di quelle radiali. Ciò è dovuto

al fatto che le macchine radiali sfruttano l’accelerazione centrifuga (o centripeta)

nell’elaborare il flusso, coinvolgendo poco l’aerodinamica della macchina: ciò facilita

la progettazione dei profili palari ma comporta perdite maggiori.

Le macchine radiali sono spesso usate nelle APU (auxiliary power unit), ma non per altre

applicazioni aeronautiche. Esse vengono utilizzate però per sistemi di sovralimentazione dei

sistemi a pistone.

Per esempio i MOTORI TURBO sono motori sovralimentati in cui l’aria viene compressa con

un TURBOCOMPRESSORE mosso da una turbina radiale in cui si ha un’espansione dei gas

di scarico. Comprimendo l’aria entra ne mando una massa maggiore nei pistoni e ottengo

una potenza maggiore. 91

4-PRESTAZIONI STADI TURBOMACCHINE

4.1-RENDIMENTO

4.1.1-COMPRESSORE ASSIALE MULTISTADIO

Per ogni stadio generico possiamo definire il rendimento isoentropico:

−

, (−1)

=

, −

(−1)

Posso ipotizzare che per ogni stadio i rendimenti isoentropici siano tutti uguali (ipotesi

ragionevole visto che i vari stadi sono realizzati tutti allo stesso stato dell’arte):

= ∀

,

La compressione totale è data

dalla somma delle singole

compressioni, e quindi possiamo

esprimere in funzione del

rendimento isoentropico la

differenza di temperatura tra

ingresso e uscita della turbina:

− = ∑( − =

)

3 2 (−1)

1

= ∑( − )

, (−1)

Dall’analisi totale del compressore:

1 ( )

− = −

3 2 3 2

∑( −

Essendo dal grafico ,

( )

> −

) abbiamo:

(−1) 3 2

<

L’irreversibilità di ogni stadio si ripercuote negativamente in tutti i successivi. Per questo

che tiene conto delle perdite interne al singolo stadio è maggiore di quella totale.

1. Infatti in ogni stadio le irreversibilità causano un aumento di temperatura maggiore

rispetto al caso ideale e mettono il successivo stadio in condizioni sfavorevoli (s e T

di partenza più alte). 92

4.1.2-TURBINA MULTISTADIO ASSIALE

Per la turbina multistadio si procede allo stesso modo del compressore:

−

(−1)

= =

,

−

, (−1)

Con: − = ∑( − = ∑( −

) )

4 5 (−1) (−