Propulsione Aeronautica e Spaziale

SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO DELL’UGELLO

Si è visto precedentemente che il raffreddamento dell’ugello viene realizzato facendo lambire la superficie di

quest’ultimo dal combustibile criogenico, creando un salto entalpico. Per ottenere ciò non si usa l’ossidante poiché

ha un comportamento molto aggressivo e tende a ossidare, ovvero bruciare, tutto ciò che incontra e di conseguenza

se dovesse incontrare delle impurità nei condotti si rischierebbe molto. Queste impurità possono essere dei residui

della lavorazione dei condotti stessi. Se l’ossidante dovesse incontrare delle impurità e dovesse ossidarla si verrebbe

a generare uno spot caldo, e se questo dovesse essere sufficientemente grande causerebbe failure.

RAFFREDDAMENTO RIGENERATIVO:

Un sistema utilizzato è quello chiamato raffreddamento

rigenerativo, in cui l’ugello è totalmente avvolto nei condotti di

raffreddamento e il combustibile, dopo essere stato inserito nella

parte bassa e aver percorso tutti i condotti viene ripescato per essere

mandato alla turbina/CCA. Viene chiamato raffreddamento

rigenerativo perché viene rigenerato il calore ceduto all’ugello

andando ad aumentare l’entalpia del combustibile.

Ci sono 2 soluzioni diverse per realizzare i condotti.

La prima prevede l’utilizzo di diversi condotti affiancati l’un l’altro e

indipendenti che vanno a ricoprire l’intera superficie dell’ugello.

Essendo tutti i condotti separati per ottenere una

certa consistenza del sistema vengono ‘’uniti’’

tramite un processo di brasatura, ovvero viene

utilizzato un materiale metallico che la funzione di

una ‘’colla’’. In realtà la brasatura non riesce di

per sé a tenere insieme tutto il sistema e vengono

invece utilizzate delle bande di contenimento

esternamente all’ugello che conferiscono la

resistenza al sistema e non essendo esposte

direttamente al flusso caldo possono resistere

tranquillamente.

Questi condotti sono realizzati in materiali alto-

legati, in cui il materiale più presente è il rame e il

cobalto, tutti che hanno elevata conducibilità, in

modo che si abbia un flusso di calore più veloce

possibile in modo da ottenere un raffreddamento ottimale. Questa soluzione costruttiva viene tipicamente adottata

in ugelli di grandi dimensioni.

In ugelli più piccoli si costruisce l’intera parete del materiale ad alta conducibilità in cui successivamente vengono

create delle scanalature in cui passerà il fluido di raffreddamento. Questo serve sia a garantire un raffreddamento

efficace e sia a garantire la resistenza meccanica del sistema.

DUMP COOLING

E’ un raffreddamento a perdere in cui i condotti non sono

disposti in direzione assiale ma soprattutto nella parte

terminale sono disposti a forma di spirale. Tipicamente è un

unico condotto o al massimo una coppia di condotti che

vengono percorsi dal combustibile, e quando arriva alla parte

terminale fuoriesce avendo raggiunto un certo calore.

MOTORI A PISTONI

In questo motore si ha il cilindro che scorre all’interno del cilindro e comprime l’aria sopra di se in modo tale da

ottenere o lo scoppio o lo scarico dei fumi. Per far entrare e uscire rispettivamente l’aria e i gas esausti ci sono 2

valvole, la valvola di aspirazione e la valvola di scarico. Una volta compressa l’aria e miscelata con il carburante vi è

la candela che permette di accendere il carburante e provocare lo scoppio. A permettere la trasformazione da moto

traslatorio alternato del pistone a moto rotatorio dell’albero motore è il manovellismo di spinta che è composto dal

pistone, dalla biella e dalla manovella collegata all’albero motore. L’estremo della biella collegato con la manovella

quando raggiunge il punto morto inferiore va a immergersi nell’olio lubrificante contenuto nel carter, nel caso di

motori ad uso aeronautico invece il carter è secco, ovvero non vi è il lubrificante. L’intervallo di movimento del

pistone è delimitato dal punto morto inferiore e il punto morto superiore. Il volume spazzato dal cilindro nel suo

moto dal punto morto inferiore e superiore è chiamato cilindrata.

L’intervallo di movimento del pistone è chiamata corsa.

E’ definito rapporto di compressione il rapporto: +

=

Ovvero il rapporto tra la somma tra la cilindrata e il volume della camera di combustione e il volume della camera di

combustione stessa. I motori a benzina hanno sempre le candele e sono definiti motori a accensione controllata.

Mentre i motori che utilizzano il Diesel non hanno candele poiché è un carburante che si accende spontaneamente

raggiunta una certa pressione.

Mentre i motori Diesel possono sembrare molto più efficienti poiché hanno un rapporto di compressione maggiore

rispetto a quelli a benzina, questi ultimi vengono utilizzati quasi nella totalità delle motorizzazioni aereonautiche,

poiché pur essendo meno efficiente ha un rapporto peso/potenza molto più favorevole.

Nel runner oppure nel condotto di aspirazione può essere inserito un carburatore o in iniettore utile a miscelare il

carburante all’aria fresca. Nello studio del grafico indicatore si fanno delle semplificazioni per poter

ottenere uno schema chiaro, queste idealità sono:

- Si considerano trascurabili le perdite attraverso condotti e valvole;

- Si considera istantanea l’apertura e chiusura delle valvole;

- Si considerano trascurabili gli scambi di calore verso l’esterno;

- ‘’ gli attriti

- ‘’ i trafilamenti, ovvero delle perdite dovute alla non perfetta aderenza delle

bande elastiche della testa del pistone dovuta al meato di olio che la separa dal

cilindro, questa perdita è chiamata blow-by

- Si considera la combustione come istantanea nel punto morto superiore;

- Le compressioni e espansioni sono considerate isentropiche.

Nella fase iniziale il pistone scende dalla posizione di punto morto superiore con la valvola di aspirazione aperta con

conseguente aumento di volume di aria all’interno del cilindro mantenendo però la pressione ambiente. Nel grafico

quindi si passa dalla posizione 0 alla 1.

Dalla posizione 1 la valvola di aspirazione di chiude istantaneamente e di conseguenza il volume è isolato. Da qui

inizia il moto in salita del pistone con le valvole chiuse e di conseguenza si verifica un incremento di pressione con

riduzione del volume, ovvero si verifica una compressione che consideriamo per semplicità isentropica, ovvero

adiabatica reversibile.

Una volta raggiunta la posizione 2 la scintilla innesca la combustione e si brucia la miscela combustibile-aria. Da qui si

libera mota energia nello stesso volume della posizione 2 ma con un repentino aumento di pressione raggiungendo

così la posizione 3.

Per fare in modo di considerare la combustione non esattamente istantanea consideriamo che per un certo tratto di

discesa del pistone ci sia una ulteriore combustione che fa si che anche con una determinata riduzione di volume si

mantenga costante la pressione arrivando così alla posizione 3’.

Da qui il pistone continuando a scendere produce una espansione che consideriamo isentropica portandoci al punto

morto inferiore con la posizione 4.

In questa posizione l’intero volume è riempito di gas esausti, da qui si apre la valvola di scarico e essendoci una

pressione interna più alta rispetto a quella ambiente si verifica un crollo di pressione che ci porta alla posizione 1. Si

ha una specie di ‘’sbuffo’’ di gas di scarico dovuto alla fuoriuscita di pressione.

Da qui il pistone riprende la salita con la corsa di scarico in cui mantiene la pressione interna costante ma con

variazione di volume, in cui butto fuori i gas di scarico e mi ritrovo nella posizione iniziale 0.

Tutto questo ciclo è chiamato CICLO SABATHE ed è tra tutti gli schemi semplificati è il ciclo che più si avvicina al

funzionamento reale del motore.

Altri schemi semplificativi sono il Ciclo Otto/Beau de Rochet e il

ciclo Diesel. Mentre il ciclo Otto rappresenta meglio un motore

diesel, il ciclo Diesel è totalmente lontano dal funzionamento di un

motore reale. Entrambi sono casi particolari. Nel ciclo Otto non si

considerano ‘’code’’ di combustione, ovvero si considera la

combustione istantanea.

Nel ciclo Diesel si immagina che la combustione avvenga interamente nella discesa del pistone raggiungendo da qui

la posizione 4. Il ciclo diesel esiste solamente perché esiste il brevetto del signor Diesel, ma un motore reale non

funziona assolutamente così. Lui però pensava che il motore Diesel brevettato da lui seguisse il suo schema ma non è

assolutamente così.

Sebbene tutti gli schemi non rappresentano veramente il funzionamento del motore reale, il ciclo Sabathe è quello

che si avvicina di più.

Nel pistone per uso racing la dimensione è molto ridotta per avere il minore

peso possibile, guardando la vista dall’alto si possono notare degli incavi

realizzati per poter lasciare spazio alle valvole nel punto morto superiore

poiché è un pistone utilizzato ad alto rapporto di compressione. Questi incavi

hanno una certa profondità anche se non elevata e si chiama anche incrocio.

Dalla vista laterale si può notare la singola fascia elastica e il rispettivo gap

utile in fase di montaggio. L’alloggio al di sotto della banda elastica è l’alloggio

per il raschiaolio utile a non far arrivare olio in camera di combustione. L’olio

fuoriesce da forellini lungo l’alloggio. La fascia elastica sembra sporgere ma in

realtà in condizioni di lavoro le due estremità del gap si toccano quasi e la

fascia elastica prende il diametro dell’alesaggio. Si possono inoltre notare 2

parti importanti della testa del pistone, ovvero il colletto e il mantello

disposte rispettivamente al di sopra e al di sotto della banda elastica e

raschiaolio. Queste 2 parti permettono al pistone di allinearsi con il cilindro e

di non basculare. Si può inoltre notare l’alloggiamento dello spinotto che

permette di vincolare il pistone alla biella.

Dalla vista dal basso si nota invece il piccolo scasso fatto per poter montare lo

spinotto e le varie nervature costruite per poter garantire resistenza

meccanica alle sollecitazioni in camera di combustione, ricordando che è un

pistone molto leggero e piccolo che lavora ad alte prestazioni.

Nel secondo gruppo di immagini si può vedere invece un pistone a uso

aeronautico. La prima cosa che si nota è l’elevato alesaggio che è tipico dei

motori aeronautici poiché possono permettersi di lav