Motori per Aeromobili - Teoria completa

I A

NGEGNERIA EROSPAZIALE

MOTORI PER AEROMOBILI

DISPENSE ED ESERCIZI SVOLTI

A F M.

CURA DI RANCESCO 1

Prefazione

Mi scuso in anticipo per i miliardi di errori grammaticali di cui non mi sono accorto.

Le seguenti dispense sono state create unendo slide e appunti del professore a materiale

vario trovato su internet e sui libri consigliati dal professore. In particolare la parte sui

motori endotermici è stata presa da “Motori endotermici” di Dante Giacosa.

Per la parte teorica dell’esame queste dispense bastano e avanzano. Per quanto riguarda gli

esercizi li trovate svolti nella seconda parte delle dispense.

Buono studio e in bocca al lupo! Francesco Marconcini 2

Indice:

Capitolo 1: Introduzione

Capitolo 2: Richiami di termo-

fluidodinamica

Capitolo 3: Prestazioni

Capitolo 4: Analisi termodinamica

Capitolo 5: Turbomacchine

Capitolo 6: Camere di combustione

Capitolo 7: Impianti

Capitolo 8: Transitori

Capitolo 9: Manutenzione

Capitolo 10: Eliche

Capitolo 11: Motori a pistoni 3

4

CAPITOLO 1-INTRODUZIONE

1- ATMOSFERA

1.1-SUDDIVISIONE

L’atmosfera terrestre è l’involucro di gas che riveste il pianeta Terra.

In base ai punti dove si ha inversione del gradiente termico verticale viene suddivisa in fasce

sferoidali (di spessore variabile con la latitudine):

1. TROPOSFERA: 0-12km

2. STRATOSFERA: 12-50km

3. MESOSFERA: 50-80km

4. TERMOSFERA: 80-700km

5. ESOSFERA: 700-10 000km

Le zone di passaggio da uno strato all’altro vengono identificate con il suffisso PAUSA,

come ad esempio la TROPOPAUSA, la STRATOPAUSA. 5

Altri strati o regioni di interesse sono:

( ):

1. STRATO DI OZONO è una zona dove la concentrazione di ozono

3

nell’atmosfera è circa 2-8 ppm, valore molto più alto che altrove (essa contiene quasi

il 90% dell’ozono atmosferico).

a. Esso è responsabile dell’assorbimento delle radiazioni solari ad alta frequenza

(es: raggi UV).

b. Questo strato è principalmente localizzato nella porzione bassa della

stratosfera, tra i 15-35 km. Lo spessore varia stagionalmente e

geograficamente.

2. IONOSFERA: è la regione dove l’atmosfera è ionizzata dalle radiazioni solari. Varia

dai 50 ai 1000 km durante il giorno.

Curiosità:

1. La quota di crociera degli aerei commerciali è circa 10km;

1.2-COMPOSIZIONE

La composizione dell'aria è variabile in generale a seconda

della quota considerata.

2. Per una quota fissata, il rapporto tra la quantità di

azoto e la quantità di ossigeno contenuti nell'aria

rimane pressoché costante grazie all'equilibrio tra il

consumo e l'apporto continuo di tali elementi associati

al ciclo dell'ossigeno e al ciclo dell'azoto;

3. Le concentrazioni di vapore acqueo e di anidride

carbonica sono variabili.

a. Per tale motivo si indicano spesso le proprietà

dell'aria privata dal vapore acqueo, che viene

detta "aria secca", mentre in caso contrario si

parla di "aria umida" (fino al 7% di vapore

acqueo a circa 40°C in condizioni di

saturazione).

L’aria secca al suolo è composta da:

1. Azoto 78%;

2. Ossigeno 21%;

3. Argon 1%;

4. Anidride carbonica 0.03%;

5. Altri gas 0.01%

a. Tra essi ci sono anche particelle solide in sospensione che formano il

cosiddetto “pulviscolo atmosferico”. 6

1.3-ATMOSFERA STANDARD

Le condizioni fisiche dell’aria (pressione, temperatura e densità) variano con la quota. A

parità di quest’ultima però dipendono da altri numerosi fattori quali posizione geografica,

stagioni, attività solare, inquinamento, umidità.

È necessario quindi avere un’atmosfera standard che ci permetta di:

1. Valutare e confrontare le prestazioni dei velivoli;

2. Calibrare strumenti di navigazione e di misura;

3. Collaudare apparecchiature.

Questa è l’ISA (International Standard Atmosphere) definita dall’ICAO (international civil

aviation organization). Essa è caratterizzata come segue:

1. È composta da aria secca di composizione costante (78% azoto, 21% ossigeno, 1%

altri gas); = −

2. Per essa vale la legge di Laplace/stevino:

= 9.80665

2

0

0 2

= ( ) {

a. 0 + = 6356.766

0 0

i. Si ricava dalla legge di gravitazione universale; 2

= = 287.1

3. L’aria è considerata gas perfetto, per cui vale: 2

8.1-CONDIZIONI STANDARD A LIVELLO DEL MARE

(LATITUDINE 45°N)

Esse sono: ′

= 101 325 = 1013.25

1.

= 288.15° = 273.15 +

{

2. = 15°

= 1.225

3. 3

Grandezze derivate:

−5

= 1.78 ∙ 10

4. ∙

2

−5

= 1.45 ∙ 10

5.

= 340.3

6. 7

1.1-VARIAZIONE DELLA TEMPERATURA CON LA QUOTA

= +

La temperatura varia con una legge del tipo:

Il gradiente termico varia rispetto alla quota:

° °

′ ′ −3 −3

0 ≤ ℎ ≤ 11 000 = 36 089 = −2.145 ∗ 10 = −6.5 ∗ 10

1. ℎ

°

′ ′ ′

11 000 ≤ ℎ ≤ 20 000 = 65 616 =0

2. ℎ

° °

′ ′ ′ −4 −4

20 000 ≤ ℎ ≤ 30 000 = 105 000 = 3.3 ∗ 10 = 10 ∗ 10

3. ℎ

Grandezze derivate sono:

a(z) = √()

1. 3

+117 () 2

(

() = ( ) ( ) ℎ)

2. ()+117

1.2-VARIAZIONE PRESSIONE STATICA

Dalla legge di Stevino, l’equazione di stato, l’espressione di g e quella della temperatura, si

ottiene tramite integrazione la variazione della pressione statica con la quota.

, , , , ,

1. Infatti, esse sono 4 equazioni in 5 incognite per cui possiamo ricavare tutte

le altre (e quindi la pressione) in funzione della sola quota (dimostrazione su

impianti).

Abbiamo quindi due casi:

−

̅

= +

( )

′

≤ ≤

1.

=− − ( )

( )

{ (−))

(−

=

′ ′

≤ ≤

2.

= − ( )

{ 8

9

2-PROPULSIONE AEROSPAZIALE

2.1-DEFINIZIONI

MACCHINA: insieme di organi meccanici finalizzati alla trasformazione, al trasporto e allo

scambio di energia.

1. MACCHINA A FLUIDO: macchina in cui trasformazione, scambio e trasporto di

energia avvengono tramite interazione con un fluido, detto “fluido di lavoro”.

a. PROPULSORE o MOTORE (thruster or engine): macchina a fluido preposta

alla generazione di una spinta (thrust).

b. PROPELLENTE (propellant): fluido di lavoro interagente con il motore;

i. COMBUSTIBILE (fuel): in motori dove si hanno reazioni chimiche di

combustione è la frazione del propellente soggetto ad ossidazione

durante la sua elaborazione nel motore;

ii. OSSIDANTE (oxider): in motori ove si hanno reazioni chimiche di

combustione è la frazione del propellente soggetto a riduzione

durante la sua elaborazione nel motore;

Esempi:

i. Nello space shuttle l’ossigeno è l’ossidante e l’idrogeno il

combustibile;

ii. Nei velivoli aeronautici il combustibile è il cherosene imbarcato

mentre l’ossidante è l’aria. Rispetto alla massa d’aria però il

combustibile costituisce una piccolissima parte.

2.2-CLASSIFICAZIONE DI BASE DEI PROPULSORI

AEROSPAZIALI

I propulsori possono essere divisi in:

1. ESOREATTORI (airbreathing engines): il propellente è prevalentemente aria

atmosferica, prelevata dall’esterno;

a. MOTORI A TURBINA:

i. Turbogetto semplici;

ii. Turbogetto a doppio flusso (turbofan);

iii. Turboeliche;

b. MOTORI A PISTONI:

i. Motoeliche;

2. ENDOREATTORI (rocket engines): il propellente è

tutto imbarcato nel velivolo:

a. ENDOREATTORI CHIMICI:

i. A propellente liquido;

ii. A propellente solido;

b. ENDOREATTORI ELETTRICI:

i. Gasdinamici;

ii. Elettrostatici;

iii. Elettromagnetici. 10

3-FORZE AGENTI SU UN VELIVOLO

Definiamo:

1. CORDA (wcl): direzione che congiunge la punta dell’aereo alla coda;

2. SPINTA(thrust): la forza risultante dalle variazioni di quantità di moto e pressione

dei fluidi che attraversano i motori.

̂

:

3. angolo tra la direzione della velocità e la corda;

:

4. angolo tra la direzione della spinta e la corda;

:

5. angolo tra la direzione della velocità e l’orizzonte (è lo stesso formato tra direzione

della portanza e il peso);

6. W: forza peso;

7. u: velocità del velivolo

8. D: resistenza aerodinamica (opposta alla velocità);

9. L: portanza (perpendicolare alla velocità)

−

= +

( )

Dimostrazione: Scriviamo l’equazione del moto nelle direzioni della velocità e perpendicolare ad essa

(accelerazione positiva):

( + ) − − = =

\\ \\

+ ( + ) − =

⊥

{

Sviluppando la prima e moltiplicandola per u:

\\

( + ) − = ( + )

1.

=

2. \\

()

(̇ )

() = ̇ = =

3. Una formula nota è:

2

̇ 1

\\

= =

a. Da cui: 2

ℎ (

= = à à)

4.

5. Riduciamoci al caso in cui la velocità è allineata con la spinta (per un velivolo VTOL, cioè a

( + ) ≅ 0 Digitare l'equazione qui.

decollo verticale, ciò ovviamente non vale): 11

Dall’equazione capiamo che:

1. Se vogliamo variazioni di quota e velocità abbiamo bisogno di uno sbilanciamento

tra spinta e resistenza;

a. Se vogliamo accelerare (e alzare quota): T>D;

b. Se vogliamo decelerare (e abbassare quota): T<D;

2. Possiamo fare anche spinte negative che si sommano alla resistenza (ad esempio nel

caso degli inversori di spinta);

2

(ℎ + ) = 0

3. La condizione è la condizione di volo livellato, in cui il velivolo si

2

muove a quota e velocità costanti. Questa condizione si realizza con T=D.

4-PROPULSIONE

Si indicano come propulsori a getto tutti i mezzi di propulsione in cui la spinta propulsiva è

ottenuta, in base al principio di azione e reazione, dallo scarico ad alta velocità di una certa

quantità di massa.

4.1-ESEMPIO PALLONCINO

Per comprendere il principio di funzionamento di un turboreattore, si consideri inizialmente

un palloncino riempito di gas in pressione (maggiore di quella esterna, grazie alle pareti

elastiche). Esso è perfettamente in equilibrio, in quanto la pressione che si esercita con pari

intensità su ogni punto della superficie interna, è equilibrata dalla corrispondente pressione

agente sulla superficie opposta.

Se si apre la bocchetta di gonfiaggio, la pressione statica che esisteva sull'aria corrispondente

all'apertura si scarica all'esterno, trasformandosi parzialmente in pressione dinamica

(movimento del gas verso l'esterno). La pressione agente sull'aria opposta all'apertura, non

essendo più equilibrata, dà origine alla spinta, che provoca il movimento del palloncino.

Come osservato, la spinta è originata da un principio di azione e reazione, per squilibrio di

pressioni interne, e non è concentrata sull'ugello o cono di scarico, ma si origina sulla parete

interna opposta ad esso.

La durata del volo del palloncino considerato, sarebbe necessariamente breve, in quanto la

pressione interna si scaricherebbe rapidamente. Per mantenere il palloncino in movimento

occorrerebbe pompare aria nel suo interno utilizzando una comune pompa a mano, in modo

da mantenere costante sia la pressione interna sia il flusso d'aria attraverso la bocchetta. 12

4.2-EVOLUZIONE PALLONCINO

Si immagini ora di sostituire in tale complesso la pompa a mano con una serie di ventole

aspiranti (compressore), che garantiscono il movimento dell'alta pressione nel suo interno.

L'energia fornita dall'uomo è necessaria al funzionamento della pompa a mano e può essere

sostituita con quella ottenuta spruzzando carburante nel flusso d'aria e quindi provocando

l'accensione della miscela ottenuta.

La combustione del carburante provoca un rapido aumento della temperatura dell'aria; si ha

conseguentemente un notevole incremento di volume e quindi un efflusso nella parte

posteriore del complesso.

Se infine si immagina di utilizzare parte dell'energia dei gas di scarico per far ruotare una

turbina collegata mediante un albero al compressore, si può considerare completa la

trasformazione del palloncino originario, in un complesso analogo per funzionamento e

componenti fondamentali ad un "turbo-reattore"

Tale complesso sarà in grado di funzionare finché verrà alimentato da carburante.

5-MOTORI A TURBINA

Il motore a getto costituisce essenzialmente una macchina che fornisce "spinta", utilizzando

l'aria come fluido di lavoro.

A questo scopo, la velocità (energia cinetica) dell'aria che passa attraverso il motore deve

essere incrementata. Ciò avviene attraverso un iniziale aumento di pressione, seguito

dall'aggiunta di energia termica e quindi della riconversione in energia cinetica, sotto forma

di alta velocità dei gas di scarico. 13

5.1-CICLO TERMODINAMICO

Il ciclo termodinamico ideale di tale motore è quello Brayton, che sul piano di Mollier

assume la forma di figura.

1. Parte dell’espansione avviene nella presa d’aria per il cosiddetto “effetto dinamico”;

2. Le isobariche divergono per entropie maggiori e quindi ho un salto di entalpia

maggiore di quello che avviene solo in turbina e ugello. Questo salto viene sfruttato

per ottenere una maggiore velocità d’uscita.

3. Dal bilancio meccanico:

= → ̇ ∆ℎ = ̇ ∆ℎ → ∆ℎ ≈ ∆ℎ

, ,

̇(

= − ).

4. Vedremo in seguito che: Quindi per aumentare la spinta posso

aumentare portata o differenza di velocità:

a. Aumentare la portata è conveniente dal punto di vista dei consumi ma

richiede motori con ampie sezioni frontali.

5.2-COMPONENTI DEL MOTORE

In generale un motore a turbina contiene:

1. PRESA D’ARIA: interfaccia tra ambiente esterno e motore;

2. COMPRESSORE: macchina rotante che aumenta la pressione dell’aria esterna. Può

essere:

a. RADIALE (centrifugo): l’aria viene aspirata assialmente, entra nei canali

palari e viene deviata in direzione radiale.

i. Posso avere rapporti di compressione maggiore con meno stadi, ma la

messa in serie è complicata (richiede un maggior ingombro radiale e

innalza le perdite totali);

ii. Si sfrutta l’effetto

centrifugo per la

compressione; 14

b. ASSIALE: non ho grandi variazioni di direzione del flusso;

i. È facile la messa in serie e quindi la realizzazione a stadi.

ii. Uno stadio è formato da una coppia di rotore e statore (nella turbina

l’ordine è invertito). Le palette statoriche convertono l’energia cinetica

del flusso in pressione (con una diffusione) e indirizzano meglio il

flusso verso il rotore successivo.

iii. Spesso ho una schiera di “palette di distribuzione” che precedono

tutto il compressore;

3. CAMERA DI COMBUSTIONE: in essa ha luogo l’introduzione di combustibile e si

hanno reazioni chimiche esotermiche. La combustione viene modellizzata come

un’introduzione di calore isobara (in realtà abbiamo un piccolo calo di pressione);

a. È spesso composto da un involucro esterno e uno più interno (tubo di

fiamma) nel quale avviene la combustione, collegati da dei fori. Tale struttura

serve per separare il flusso subito prima della combustione: il flusso esterno

raffredda e isola termicamente il flusso interno;

b. I prodotti della combustione sono principalmente CO e H O, ma in caso di

2 2

combustione non completa sono presenti pure CO, NO e altre sostanze

X

inquinanti.

4. TURBINA: è una turbomacchina che lavora in modo inverso al compressore.