STUDIO DI MASSIMA DI UN SISTEMA DIESELFAN BASATO SUL VX007 PER IL CITATION X

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA MECCANICA TESI DI LAUREA in LABORATORIO CAD L STUDIO DI MASSIMA DI UN SISTEMA DIESELFAN BASATO SUL VX007 PER IL CITATION X Candidato: SARA LUPPI Relatore: Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI Correlatori: Prof. Ing. GIANNI CALIGIANA Prof. Ing. ALFREDO LIVERANI

2 OBIETTIVI Dimensionamento di un ventilatore intubato (DUCTED FAN) per scopi propulsivi azionato da un motore diesel common rail turbocompound (DIESELFAN)

3 PUNTO DI PARTENZA Modello di riferimento del ventilatore: FAN della NASA Velivolo di riferimento: CESSNA CITATION X Studio del funzionamento del motore ad accensione comandata DAIMLER-BENZ 605 Trasformazione del DB 605 in un MOTORE AD ACCENSIONE PER COMPRESSIONE (VD007), ad iniezione COMMON RAIL e sistema TURBOCOMPOUND Evoluzione del VD007 nel VX007, per ottenere maggior potenza al decollo

4 FAN DELLA NASA Il fan deriva dalla sperimentazione Nasa, presso il Glenn Research Center dell Ohio, per l abbattimento del rumore. Il modello è stato testato in galleria del vento, con e senza trattamento acustico di parete. Il meccanismo di riduzione del rumore si basa sull utilizzo di un elevato numero di pale rotoriche: queste generano una scia a valle del rotore più piccola, che decade più velocemente e determina delle scale di turbolenza minori. Quindi l abbattimento è dato dall interazione tra la turbolenza di scia del rotore e lo statore. Strato perforato Substrato assorbente in Kevlar La configurazione con trattamento acustico genera una significativa riduzione del rumore all interno di una vasta gamma di frequenze. Svantaggio:scadimento delle prestazioni aerodinamiche, cioè diminuzione della portata attribuibile alle perdite per attrito tra il flusso e la piastra perforata.

5 CESSNA CITATION X- CARATTERISTICHE GENERALI Business jet di media taglia Elevate velocità subsoniche Velocità di crociera massima Mach 0,92 Elevati diametri della presa d aria del motore Elevata freccia alare (37 ) aumento del numero di Mach critico Fusoliera ad aerea bagnata ridotta aumento dell efficienza in crociera e diminuzione della resistenza totale dell aereo Ala bassa sotto alla fusoliera: maggior volume utile in crociera struttura alare mono-componente connessioni ala-fusoliera più semplici

6 CESSNA CITATION X-PROPULSIONE Due turbofan Rolls-Royce/Allison AE 3007 C1spinta totale al decollo: Struttura: 60 kn sistema tri- albero con tre sistemi compressore -turbina, ciascuno su un proprio albero, rotanti a velocità aerodinamiche ottimali ogni richiesta operativa Rispetto della normativa per le emissioni allo scarico ed il rumore in fase di decollo ed atterraggio - diminuzione dei rischi Pale del fan ad elevata corda in titanio - aumento dei costi elevata efficienza propulsiva massima pressione e temperatura ottenibili nel ciclo termodinamico possibilità di scalare i componenti - miglioramento dell ottimizzazione per minor lunghezza e maggior robustezza elevata efficienza aerodinamica elevata protezione contro danneggiamenti da oggetti esterni minor flessione in volo minor usura miglior mantenimento delle prestazioni

7 CESSNA CITATION X- PRESTAZIONI Velocità massima in crociera pari a Mach 0,92 (945 km/h) a m ed autonomia di circa 2500 miglia nautiche Autonomia chilometrica oraria massima di 3300 miglia nautiche (6100 km) a Mach 0,82 con soli uno o due passeggeri a bordo Numero limitato di rotte transatlantiche No voli transpacifici Distanza di decollo media di 1567 m Distanza di atterraggio media di 1036 m Circa 2800 libbre (1200 kg) di combustibile per coprire circa 900 miglia nautiche (1450 m) Rapide virate ad alta quota manovre di emergenza Assicurate condizioni di sicurezza senza la necessità di dover mantenere un determinato valore della velocità di crociera

8 IL VD007 Trasformazione del DB 605 in un motore ad accensione per compressione Unico vincolo progettuale: mantenere una potenza erogabile pari a 1500 CV Caratteristiche modifiche: principali alesaggio Cilindrata: 19000cc corsa Rapp. di compressione: cilindrata e rapporto 15,5 rotazione a regime Numero di giri di a compressione regime: 3800 rpm albero motore Potenza max teorica: 2180 CV trasformazione da benzina Massa dimezzamento drastico 350 kg doppio sistema a diesel peso complessivo di iniezione nuovo pistone si ottengono: nuovo albero a gomiti nuova testata

9 SISTEMA IBRIDO Il motore è stato affiancato da una turbina che in crociera funziona da turbocompressore Al decollo e in condizioni di emergenza eroga maggiore potenza attivando il bruciatore della turbina (reheating) Il sistema può funzionare a potenza ridotta (solo turbina) in caso di guasto del diesel (maggiore affidabilità) AUMENTO DI POTENZA (+1200 CV) AUMENTO DEL RENDIMENTO

10 Matrice in resina polimerica 12 termoindurente cilindri a con V di fibra 60 di 4 rinforzo tempi in carbonio VX007 Velocità di rotazione massima: rpm Velocità di rotazione al decollo: rpm Velocità di rotazione in crociera: 10000rpm Potenza al decollo: 3750 CV Materiale di produzione: l assenza del turbocompressore a valle del fan elimina la necessità di utilizzare materiali per temperature medio -alte (come superleghe o leghe di titanio) 1)pale rotore e statore realizzate in materiale composito a fibra di carbonio, con anima in Roahcell XT e rivestimento costituito da diversi strati a diversa angolazione Struttura di tessuto di rinforzo di fibra a nido d ape di carbonio dello spessore di un decimo (honeycomb) di millimetro; in lega di alluminio 2)condotto a gondola realizzato con struttura in composito tipo sandwich

11 CARATTERISTICHE DEL DUCTED A = 0,53 m 2 aerea utile FAN DIMENSIONATO R tip =[A/(*0,75) 1/2 = 0,47 m raggio all estremità della pala R hub = 0,5 * R tip = 0,24 m raggio all estremità del mozzo n d = 6900 rpm velocità di rotazione del fan la decollo n c = 6000 rpm velocità di rotazione del fan in crociera Pale collegate direttamente al mozzo grazie all alternanza tra palettamenti a supporto lungo ed a supporto corto elevato numero di pale e corretto posizionamento Fan disposto nella parte posteriore della fusoliera, all altezza dell attacco del codino posteriore Profili aerodinamici di collegamento inclinati di 10 rispetto all orizzontale rinvio della trasmissione inclinato di 10 INNESTO AL MOZZO

12 SPINTA AL DECOLLO Noti: m d = m NASA * (A / A NASA ) = 35,4 * (0,53 / 0,18) = 102 kg/s portata massica al decollo p tot d = Pa differenza totale di pressione al decollo v uscita = 235 m/s velocità nella sezione immediatamente a valle dello statore determino la forza al decollo: X d = V d2 /{2*g[(F d /W) f]} + 2*V d + V d * {(2*h*W)/[*g*(P-W)]} 1/2 = 1410, m F d =2 * [(p tot d * A) + (m d * v uscita )] = 2 *[(30000 * 0,5305) + (102 * 235) = N Posso anche calcolare lo spazio necessario al decollo, conoscendo: V d la velocità di decollo, pari a 115 nodi 213 km/h 59,17 m/s g l accelerazione gravitazionale, pari a 9,81 m/s 2 F d la spinta al decollo, che supporremo costante ed agente parallelamente al suolo W il peso totale massimo, assunto costante e pari a N (massa a vuoto del velivolo di kg) f il coefficiente di attrito volvente, pari a 0,1 h l altezza minima a cui è posto il fittizio ostacolo che l aereo deve superare in fase di decollo, che assumerà pari a 10,67 m un fattore correttivo dell accelerazione relativa e compreso tra 0,900,95 (assumiamo 0,90) P la portanza, la cui formula è: P = ½ * * V 2 * S * CP = N

13 SPINTA IN CROCIERA Noti: - aria c = 0,305 kg/m 3 densità dell aria in crociera - q v = 43,81 m 3 /s portata volumica al decollo - P richiesta = 1470 * 10 3 CV potenza richiesta al motore dal fan al decollo, ottenuto da uno studio precedente Essendo che: - V tip ideale = 1,15 parametro adimesionale - m c =( c *q v *P d ) / (V tip ideale *P richiesta )=(0,305*43,81* ) / (1,15*1470*10 3 )=21,79 F kg/s portata massica in crociera d > F c - p tot c = 6396 Pa differenza totale di pressione in crociera si ottiene la forza in crociera: F c > R c F c = 2 * {(p tot c * A) + [m c * (v uscita / V tip ideale )]} N vuol dire che i due fan riescono a fornire la spinta Per verificare il calcolo necessaria effettuato, a vincere posso la resistenza anche stimare appena la resistenza calcolata all avanzamento in crociera: R c = 0,5 * v c2 * Cd * SupAlare * c = 0,5 * (280)2 * 0,018 * 48,96 * 0, N noti la velocità a Mach 0.95, il coefficiente di resistenza, la superficie alare e la densità dell aria in crociera.

14 La trasmissione è costituita da : TRASMISSIONE moltiplicatore rinvio angolare centrale albero di trasmissione rinvii finali

15 CONCLUSIONI Il VX007 turbodieselfan riesce a migliorare le prestazioni dei turbofan originali, accorciando la corsa al decollo e migliorando il rateo di salita. La velocità massima, anch essa in teoria migliorabile, è limitata dalla velocità del suono.