Tesi - I miscelatori

Per i turbofan un mixer può essere impiegato per combinare le correnti calde (flusso primario che

attraversa la camera di combustione) e fredde (flusso secondario), prima di essere scaricate

attraverso un unico ugello propulsivo. I turbofan con miscelatore (mixer) sono impiegati per una

serie di motivi.

Se si ha un post-bruciatore, mescolare flussi caldi e freddi offrirà una migliore spinta

• complessiva.

In condizioni di crociera, se il ciclo è progettato specificatamente per un miscelatore si

• possono ottenere dei piccoli miglioramenti in termini di spinta specifica e di consumo

specifico di carburante (SFC).

Il rapporto di compressione ottimale del fan per spinta specifica e SFC è significativamente

• inferiore rispetto alla configurazione con flussi separati (senza mixer); ciò porta ad un minor

peso e costo sia per il fan che per la turbina.

Nel caso di applicazioni militari, il segnale infrarosso (IR) è ridotto dalla minor temperatura

• nell’ugello di scarico comune (ai due flussi).

Il rumore del motore è proporzionale all’ottava potenza della velocità del getto di scarico;

• con un miscelatore la velocità del getto è ridotta rispetto al caso di turbofan a flussi separati.

11  

Nel decidere se adottare o meno un mixer, queste considerazioni devono essere bilanciate con gli

svantaggi in termini di costi e peso aggiuntivo. Inoltre, se il condotto di bypass dell’inversore di

spinta è presente bisogna implementare dei sistemi di tenuta complessi per evitare perdite fuori

bordo. Il risultato netto di quanto detto sopra è che tutti i turbofan che impiegano un post-bruciatore

sono a flussi mescolati. Questo è anche vero in generale per i turbofan RPV (remotely piloted

vehicles), a causa di considerazioni di stealth.

Fino agli anni recenti, turbofan da trasporto civile con medio/alto rapporto di bypass erano a flussi

separati; tuttavia, a causa di rapporti di bypass sempre più alti e alla necessità di ridurre i rumori del

motore, molti motori moderni sono a flussi mescolati.

3.1 Configurazioni

La figura 7 mostra le tre diverse

configurazioni di miscelatore in

ordine di requisito di lunghezza:

Mixer a iniezione (a)

− Mixer anulare lobato (b)

− Mixer anulare piano (b)

− Miscelatore ad iniezione forzata

(a)

A causa della grossa perdita di

pressione del miscelatore ad

iniezione, le configurazioni

anulari lobate e piane sono più

comuni. Essi comprendono gli (b) Miscelatori anulari lobati e anulari piani

scivoli dei due flussi seguiti da una Fig. 7 – Possibili configurazioni del mixer

camera di miscelazione. Quando i

lobi, al contrario della parete circolare, sono utilizzati al termine degli scivoli dove inizia la

miscelazione allora il perimetro aumenta fino a tre volte. Questo ha l’effetto di ridurre

significativamente la lunghezza richiesta dalla camera di miscelazione. 12  

3.2 Scalare un miscelatore già esistente

Se un mixer già esistente viene scalato linearmente allora le sue performance rimangono invariate, a

patto che non vengano modificate temperature totali del flusso caldo e freddo e rapporti di

pressione. La portata di ciascun flusso (primario e secondario) aumenterà col quadrato del rapporto

della scala lineare.

3.3 Spinta lorda, netta e miglioramento del consumo specifico di carburante (SFC)

Le espressioni sono complesse, quindi per uno studio preliminare di concept design viene

presentato un metodo semplificato per valutare le prestazioni del mixer al punto di progetto. Le

prestazioni del motore al punto di progetto sono analizzate come nel caso di flussi separati, ed in

seguito viene valutato il guadagno teorico di spinta lorda così come i fattori per spiegarne i reali

effetti. Quindi può essere stimata la spinta lorda per il motore a flussi mescolati. Infine il rapporto di

compressione richiesto dal fan per il ciclo miscelato si ricava dai grafici presenti nel prossimo

paragrafo (4.4.). Il grafico di figura 8 mostra il rapporto del guadagno teorico di spinta lorda dei due

flussi miscelato-separato in funzione del rapporto di bypass per alcuni valori del rapporto fra le due

temperature totali (flusso caldo-flusso freddo).

Fig. 8 – Rapporto del guadagno teorico di spinta lorda in funzione del rapporto di

bypass per alcuni valori del rapporto fra le temperature totali 13  

Si possono imporre le seguenti condizioni:

La spinta lorda dei motori (mescolati e separati) è per ciascuna configurazione al suo

• corrispondente rapporto ottimale di compressione del fan. Come sarà descritto nel prossimo

paragrafo, il rapporto ottimale di compressione del fan per un turbofan a flussi associati è

inferiore rispetto a quello per un turbofan a flussi separati con stesso flusso primario (core

flow).

Il rapporto di espansione dell’ugello di scarico è superiore a 2,5.

• Nessuna perdita di pressione è considerata per gli scivoli e per la camera di miscelazione.

• Il miscelatore è progettato con rapporto lunghezza-diametro tale da non avere variazioni di

• temperatura all’uscita del mixer.

Il motore miscelato ha eguali pressioni totali del flusso caldo e freddo all’uscita degli scivoli

• del miscelatore.

Il rapporto di espansione dell’ugello di scarico è solitamente maggiore di 2,5 per la maggior parte

dei turbofan in crociera e quindi i grafici usati valgono. Per rapporti di espansione inferiori a 2 il

guadagno di spinta lorda diviene insignificante. Il grafico di figura 9 mostra la percentuale di

guadagno teorico della spinta lorda in funzione del rapporto lunghezza-diametro della camera di

miscelazione nel caso delle tre diverse configurazioni di miscelatore.

Fig. 9 - Percentuale di guadagno teorico della spinta lorda in funzione

del rapporto lunghezza-diametro della camera di miscelazione 14  

L’andamento del grafico è responsabile della perdita di pressione nella camera di miscelazione,

della perdita di pressione nello scivolo del miscelatore e del grado di variazione di temperatura

all’uscita del mixer.

Il grafico di figura 10 mostra un termine aggiuntivo da applicare al risultato del guadagno teorico

della spinta lorda di figura 9 nel caso in cui le pressioni totali dei due flussi siano diverse.

Fig. 10 – Effetto della diversa pressione totale dei due flussi sul

guadagno teorico della spinta lorda

Da quanto detto finora risulta evidente che per un turbofan con rapporto di bypass 5 e con rapporto

fra le temperature uguale a 3, egual pressione totale e miscelatore lobato con rapporto lunghezza-

diametro uguale a 2, il guadagno reale di spinta lorda in crociera a Mach 0,8 è intorno al 2%. Per

turbofan con piccoli rapporti di bypass che operano a Mach vicini a 2 l’incremento in termini di

spinta netta sarà approssimativamente del 3% per ogni guadagno di spinta lorda dell’1%. Il

miglioramento del consumo specifico di carburante (SFC) è analogo a quello della spinta netta nel

caso in cui la quantità di combustibile bruciato sia rimasta invariata. I grafici di figura 8,9 e 10

possono essere usati in parallelo con i diagrammi di ciclo del turbofan a flussi separati per stimare

l’impatto di un miscelatore su SFC e spinta specifica per una data SOT (stator outlet temperature),

un dato rapporto di compressione complessivo e un dato rapporto di bypass. 15  

3.4 Rapporto di compressione ottimale del fan nei turbofan a flussi mescolati

È evidente per quanto visto finora che il ciclo del motore con mixer deve essere progettato fin

dall’inizio in modo da raggiungere eguali pressioni totali all’uscita degli scivoli del miscelatore.

I grafici di figura 11 e 12 mostrano la dipendenza del rapporto ottimale di compressione del fan in

funzione del rapporto di compressione complessivo (Overall Pressure Ratio), per alcuni valori di

SOT e di rapporto di bypass.

Fig. 11 – Ciclo di un turbofan a flussi mescolati: rapporto ottimale di compressione del fan a 11 000 m, ISA, 0,8 M

(a) - SOT = 1400 K

(b) - SOT = 1800 K 16  

Per SOT e rapporti di bypass diversi si può procedere mediante interpolazione.

Fig. 12 – Ciclo di un turbofan a flussi mescolati: rapporto ottimale di compressione del fan a 11 000 m, ISA, 2,2 M

  (a) - SOT = 1400 K

  (b) - SOT = 1800 K

Il livello del rapporto di compressione del fan presentato per turbofan a flussi mescolati sarà tale da

assicurare eguali pressioni totali dei due flussi all’uscita dello scivolo del miscelatore. Inoltre, dai

grafici si nota che il rapporto ottimale di compressione del fan è significativamente più basso per un

motore miscelato a tutti i numeri di Mach, e a diverse combinazioni dei parametri del ciclo. L’entità

di questa riduzione aumenta con la riduzione del rapporto di bypass. 17  

3.5 Guida ai parametri per un dimensionamento di base

Per un concept di progettazione iniziale il mixer può essere abbozzato utilizzando le seguenti linee

guida.

3.5.1 Numero di Mach all’uscita dello scivolo e pressione statica

Gli scivoli devono essere progettati per numeri di Mach in uscita dallo scivolo tra 0,35 e 0,55. Il

guadagno di spinta lorda è insensibile ai vari livelli del numero di Mach e al loro rapporto. La

pressione statica nel piano di uscita dello scivolo del mixer deve essere uguale per i due flussi

(caldo e freddo). Mediante le Q-curves (curve di flusso comprimibili, si applicano a flussi in un

condotto di varia sezione con lavoro e scambio di calore nulli) si può trovare la sezione per date

condizioni di flusso; infatti, una volta che un gruppo di parametri relativi alla zona di flusso (ad

esempio numero di Mach , ovvero il rapporto totale di pressione statica o temperatura) è noto in un

punto del condotto poi tutti gli altri gruppi di parametri, a quel punto possono essere valutati .

3.5.2 Diametro della camera di miscelazione

Il numero di Mach medio all’uscita del miscelatore deve essere fra 0,35 e 0,5 per consentire una

miscelazione adeguata e basse perdite di pressione. Ancora una volta l’area e quindi il diametro può

essere trovato mediante l’uso delle Q-curves nota la condizione di flusso.

3.5.3 Lunghezza della camera di miscelazione

La lunghezza della camera di miscelazione deve essere scelta dal grafico di figura 9 in modo da

ottenere una buona percentuale del guadagno teorico di spinta lorda. In pratica per molte

installazioni si può immettere un limite superiore di circa 1,25 sul rapporto lunghezza-diametro; è

solo in una minoranza di casi, come quando il motore è montato sulla fusoliera, che sono ammessi

rapporti superiori.

4 I miscelatori – prestazioni fuori dal punto di disegno

4.1 Funzi