Aspetti energetici. Capitolo 2

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1 Capitolo 2 Aspetti energetici 2.1

2 2.1 Introduzione Un impianto è costituito da componenti uniti fra di loro tramite collegamenti nei quali avviene un trasferimento di potenza esprimibile attraverso il prodotto di due grandezze, una intensiva ed una estensiva. Le grandezze che definiscono la potenza dipendono dal particolare impianto (tabella 2.1): Meccanica Velocità Forza W v * F Meccanica Velocità Coppia W * C angolare Elettrica Tensione Corrente W V * I Idraulica Pressione Portata volumetrica Pneumatica Entalpia Portata massica specifica W p * Q W h * m Tabella Grandezze che definiscono la potenza Se si considera l accoppiamento fra un generatore di potenza ed un utilizzatore, in condizioni di equilibrio la potenza fornita dal generatore deve essere uguale a quella assorbita dall utilizzatore; se il generatore fornisce potenza a più utilizzatori la potenza fornita deve essere uguale alla somma di quelle assorbite dagli utilizzatori. In un impianto che distribuisce potenza è opportuno controllare il valore di uno dei due parametri che la definiscono. Se il generatore alimenta più utilizzatori, per evitare interferenza fra il funzionamento dei vari componenti, il parametro da controllare deve essere quello che definisce il potenziale. Si considerino i circuiti in figura 2.1 con due lampade di uguale resistenza: I I V Fig. 2.1 Alimentazione di circuito elettrico Nel circuito alimentato a corrente costante: quando l interruttore viene chiuso, la corrente si ripartisce fra le due lampade, la tensione ai capi delle lampade dimezza; la potenza assorbita quindi dimezza e si ripartisce fra le due lampade, l accensione della seconda lampada provoca quindi una riduzione della luminosità della prima. Nel circuito alimentato a tensione costante: quando l interruttore viene chiuso la corrente assorbita, e quindi la potenza, raddoppia, ma non esiste interferenza fra le due utenze. 2.2

3 Analogamente nel caso di potenza idraulica (Fig. 2.2): se il circuito è alimentato a portata costante l apertura del rubinetto provoca la distribuzione della portata fra i due cilindri, se le masse da sollevare sono uguali questo provoca un rallentamento nel moto del primo pistone; se le masse sono diverse la portata si dirigerà solo verso il cilindro con carico minore, mentre l altro cilindro tenderà a scendere. Nel caso di alimentazione a pressione costante questo non capiterà e le portate dipenderanno dalla velocità con la quale si muovono i Q pistoni. p Per un impianto distributore di Fig. 2.2 Alimentazione di circuito idraulico potenza occorre quindi fissare il valore della grandezza che deve essere controllata (rispettivamente tensione o pressione nei casi precedentemente visti) e stabilire il valore massimo di potenza che l impianto deve fornire. Occorre comunque sempre tener conto del fatto che quando viene fissato il valore della grandezza da mantenere costante, ne viene fissato un valore nominale; sono sempre possibili degli scostamenti dal valore nominale e i componenti devono essere dimensionati in modo da poter funzionare senza problemi in tutto il campo dei valori ammissibili entro una tolleranza prefissata. Altro aspetto importante è nel fatto che la sezione di generazione deve essere progettata per poter fornire la potenza massima richiesta, ma la potenza fornita è normalmente minore e pari a quanto richiesto dagli utilizzatori in un particolare istante. La scelta del valore della grandezza controllata potrebbe essere ottimizzata di volta in volta in funzione della particolare applicazione, ma in pratica in base a questo valore devono essere progettati tutti i componenti e quindi se si vuole ricorrere a componenti reperibili sul mercato è necessario adattarsi ai valori standardizzati per i quali sia stata sviluppata la componentistica. La definizione della potenza massima che deve essere fornita dai generatori potrebbe essere ottenuta semplicemente sommando la potenza massima assorbita da tutte le utenze collegate; questo porta normalmente ad un surdimensionamento dei generatori perché ben difficilmente in un impianto complesso tutte le utenze sono utilizzate contemporaneamente ed alla massima potenza. Mentre in campo civile normalmente questo viene risolto fissando un coefficiente di utilizzo ricavato da esperienza, in campo aerospaziale si procede usualmente ad una analisi accurata delle utenze effettivamente utilizzate nelle varie fasi di volo, tenendo conto della possibilità di avere più generatori, di avere delle riserve di energia da utilizzare per eventuali momenti picco o per emergenza. Fa parte della definizione della potenza da installare anche lo studio delle condizioni di avaria con la possibilità di definire utenze a vari livelli di importanza e di esclusione in alcune condizioni di classi di utenze non strettamente necessarie. 2.3

4 2.2 Dimensionamento degli impianti per la distribuzione di energia Gli impianti per la distribuzione di energia devono essere dimensionati in modo da fornire in qualsiasi condizione di volo la potenza richiesta; la potenza viene fornita mantenendo costante il potenziale (tensione per impianti elettrici e pressione per gli impianti idraulici): l'impianto dovrà quindi essere dotato di organi di regolazione tali da mantenere costante il potenziale al variare della potenza assorbita per tutto il campo previsto di funzionamento. Questa filosofia di progetto permette di dimensionare le utenze per un ben preciso valore nominale del potenziale (tensione elettrica o pressione che sia) e tende ad limitare l interferenza nell impiego contemporaneo di diverse utenze. È comunque possibile disporre sia per gli impianti elettrici che per quelli idraulici di riserve di energia (batterie o accumulatori) utilizzabili sia come riserva di emergenza che come fonte per sopperire a punte di assorbimento. Per il dimensionamento di un impianto per la distribuzione di energia occorre disporre di un elenco di tutte le utenze con specificato per ognuna di esse l'assorbimento di potenza ed il tempo di funzionamento. Una pura somma di tutte le potenze assorbite dagli utilizzatori porterebbe sicuramente ad un sovradimensionamento dell'impianto; esistono infatti utenze sicuramente non utilizzabili contemporaneamente. È possibile giungere ad un'ottimizzazione della potenza da installare nei generatori mediante un'analisi dell'impiego delle varie utenze. Questa analisi può essere compiuta dividendo l'impiego del velivolo in un certo numero di fasi significative, ad esempio: stazionamento a terra, avviamento dei motori, rullaggio, decollo, salita alla quota di crociera, crociera, discesa, coda d attesa, atterraggio Corrente [A] Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 Fase Tempo [min] Fig. 2.3 Potenza richiesta in varie fasi di impiego 2.4

5 Per ognuna di queste fasi è possibile determinare le utenze utilizzate e costruire un istogramma che riporti la potenza assorbita in funzione del tempo di impiego. Si avrà così una curva discendente la quale mostra per la particolare fase la potenza massima necessaria ed il tempo per il quale devono essere forniti vari livelli di potenza. Esaminando queste curve e il loro inviluppo è possibile determinare la potenza da installare; in questo si potrà tener conto anche del fatto che per tempi brevi un generatore è in grado di fornire potenze più alte di quelle previste per un funzionamento continuo, della possibilità di disporre di accumulatori e di altre considerazioni. La precedente fig. 2.1 riporta delle ipotetiche di curve di assorbimento di energia elettrica per 5 diverse fasi. Da queste si potrebbe ad esempio ipotizzare l impiego di un generatore da 30 A alla tensione nominale scelta, utilizzando una batteria in grado di fornire 10 A per 10 minuti per soddisfare il picco di potenza richiesto dalla fase 1. In questa fase di studio occorre anche tenere conto del fatto che spesso si dispone di più generatori e questo porta ad una ripartizione del carico su più macchine. A questo livello occorre prendere decisioni determinate dal livello di affidabilità richiesto dall'impianto; in caso di guasto di un generatore si può infatti, in funzione dall'affidabilità richiesta, richiedere ancora la fornitura dell'intera potenza oppure può essere accettabile un funzionamento degradato con potenza inferiore. Ad esempio disponendo di quattro generatori un sovradimensionamento del 33% porta ad un impianto che in caso di guasto di un generatore permette ancora l'erogazione della potenza massima. 2.3 Energie utilizzabili a bordo In molte zone di un velivolo è necessario disporre di energia, in modo controllato; questo è necessario per molte attività, ad esempio per il movimento delle superfici di controllo del velivolo, per la retrazione e l'estensione del carrello, per azionare pompe, per necessità di illuminazione, di riscaldamento, di alimentazione di apparecchiature elettroniche, ecc. La struttura di un impianto per la distribuzione di energia è schematizzabile come nella fig.2.4, ossia è costituita da un gruppo di generazione (spesso collegato ai propulsori stessi), uno di regolazione delle grandezze fisiche in uscita (siano esse pressioni, portate, tensioni o altro) ed una rete di distribuzione che porta l energia alle varie utenze. Fig. 2.4 Generazione e distribuzione energia 2.5

6 Le tipologie di energia utilizzabili in funzione del tipo di impianto sono mostrate nella figura 2.2. Elettrica Pneumatica Idraulica Meccanica Comandi Carrello Combustibile Luci Ambiente Antighiaccio Strumenti Avionica Tab Principali utenze e tipi di energie necessarie Dalla tabella precedente si vede come sarà indispensabile su qualsiasi velivolo un impianto elettrico e, se le potenze in gioco diventano più rilevanti, un impianto idraulico e un impianto pneumatico per la distribuzione di energia. 2.4 Trasferimento di energia meccanica Per quanto riguarda l'energia meccanica i sistemi utilizzabili sono diversi: trasmissioni meccaniche; motori a combustione interna; motori elettrici; motori idraulici. motori pneumatici Le trasmissioni meccaniche consentono il trasferimento di energia meccanica dalla sorgente primaria all'utilizzatore. Il loro utilizzo è normalmente limitato a piccole potenze per l'eccessivo peso e complicazione. Un esempio tipico di impiego di trasmissione meccanica è costituita dai comandi di volo convenzionali dove le leve di controllo a disposizione del pilota sono collegate meccanicamente alle superfici mobili tramite cavi o leveraggi; in questo caso l energia trasferibile non supera il lavoro che può essere compiuto dal pilota. I motori a combustione interna costituiscono la fonte primaria di energia in tutti i velivoli (tranne che negli alianti), ma non si prestano ad un utilizzo diffuso e localizzato per i problemi che porrebbero in termini di installazione, alimentazione, affidabilità e controllabilità; è evidente come sarebbe complicato avere a bordo decine di piccoli motori con potenze anche irrisorie e funzionamento discontinuo o eccezionale. La potenza distribuita a bordo, di qualunque forma sia, viene comunque ottenuta per trasformazione di energia prelevata dai propulsori dei velivoli o delle APU (Auxiliar Power Unit; motore utilizzato dalla maggioranza dei velivoli per fornire potenza alle utenze con velivolo fermo a terra) in energia elettrica o idraulica. L'energia elettrica si presta molto bene alla distribuzione ed al suo controllo, inoltre praticamente in tutti i velivoli è presente un impianto elettrico per soddisfare ad altre esigenze; la 2.6

7 trasformazione di energia elettrica in energia meccanica richiede motori che per avere dimensioni e pesi contenuti devono essere motori rotativi con elevato numero di giri. L'uso di motori elettrici per applicazioni nei quali il lavoro meccanico viene svolto attraverso rotazioni a bassa velocità o attraverso spostamenti richiede l'impiego di riduttori, con aggravio in termini di peso. L'energia idraulica può essere distribuita con relativa semplicità, permette di realizzare motori rotativi e, con maggiore semplicità, motori lineari. A pari potenza impegnata le dimensioni ed i pesi dei motori idraulici risultano decisamente inferiori a quelle dei motori elettrici. Il controllo dell'energia è molto semplice dal punto di vista on/off, ed è possibile, anche se più delicato, un controllo di tipo continuo. L energia pneumatica per il trasferimento di energia meccanica ha scarso impiego in campo aeronautico dato che per motivi di sicurezza occorre avere impianti a pressione decisamente inferiore di quella utilizzata negli impianti idraulici. Il suo impiego è d altra parte diffuso in campo industriale perché consente di realizzare impianti più semplici; infatti utilizzando l aria come fluido di lavoro non è necessaria una linea di ritorno e anche le tenute hanno esigenze meno stringenti. Praticamente in tutti i velivoli sono presenti impianti per la distribuzione di energia sia in forma elettrica che idraulica; scartato infatti l'impiego di motori a combustione interna, gli altri due metodi visti vengono impiegati. Infatti, anche se per porre a disposizione localmente energia meccanica è più conveniente in termini di peso ed ingombro l'energia idraulica, esiste comunque la necessità di altre forme di energia (ad esempio energia luminosa, energia termica, alimentazione di apparecchiature) per le quali è necessario disporre di energia elettrica. Disponendo di entrambe le fonti di energia sarà necessario ripartire nel modo più economico possibile i carichi fra l'impianto idraulico e quello elettrico. In linea di massima sarà conveniente utilizzare l'energia idraulica nei motori di potenza più elevata, specialmente se quello che viene richiesto è una forza elevata con velocità moderata, e l'energia elettrica dove sono richieste potenze più modeste, specialmente se quello che viene richiesto è una coppia moderata con velocità angolare elevata. Occorre poi tener conto anche dell'incidenza delle linee di trasporto; così, anche se dal punto di vista della trasformazione di energia potrebbe essere più conveniente adottare energia idraulica, in un motore che si trova in una zona dove non esistono altri utilizzatori di energia idraulica può globalmente convenire l'impiego di un motore elettrico. Esiste tuttavia una tendenza moderna a passare al velivolo tutto elettrico, questo è dovuto al fatto che il maggior impiego dell energia idraulica è nei comandi di volo e, con lo sviluppo delle tecniche di controllo automatico del velivolo ed il miglioramento delle prestazioni dei motori elettrici, può risultare conveniente tale struttura. 2.5 Curve Caratteristiche Il comportamento di molti componenti può essere definito attraverso l uso di curve caratteristiche, curve cioè tracciate nel piano della potenza tipica di quel componente (ad es. V, I per componenti elettrici, p, Q per componenti idraulici); questo è particolarmente rilevante per componenti per i quali non è agevole fornire una descrizione analitica del suo funzionamento che può invece essere facilmente rappresentato mediante curve ricavate per via sperimentale. Per un determinato componente il suo funzionamento può essere descritto con un unica curva (ad esempio una resistenza elettrica è definita da una retta) o da una famiglia di curve 2.7

8 (ad esempio la coppia fornita da un motore a scoppio è data da una famiglia di curve variabili in funzione della posizione dell acceleratore). L importanza dell impiego delle curve caratteristiche risiede nel fatto che per molti componenti commerciali il loro funzionamento è descritto attraverso queste e dalle considerazioni che possono essere fatte mediante di esse sull accoppiamento di vari componenti e particolarmente generatori-utilizzatori. Ad esempio la figura 2.5 mostra il semplice accoppiamento fra un generatore di tensione costante ed un carico resistivo; il punto di funzionamento è definito dall incrocio fra le due rette. Tensione [V] Corrente [A] Fig. 2.5 Accoppiamento generatore a tensione costante resistenza La figura 2.6 è relativa all accoppiamento fra una pompa centrifuga, dove l incremento di pressione fornito è funzione della portata che la attraversa, ma dipende anche dalla velocità angolare della girante, ed una tubazione, dove la pressione necessaria ad avere una certa portata è funzione del quadrato della portata n. giri Pressione [M Pa] Portata [lt/min] Fig.2.6 Accoppiamento pompa - tubazione In questo caso si vede anche come la portata possa essere variata variando il numero di giri della pompa. 2.8

9 Sempre attraverso l impiego delle curve caratteristiche si può analizzare oltre alla condizione di equilibrio anche la sua stabilità. Ad esempio nel caso di figura 2.7, dove sono rappresentate la coppia fornita da un motore a scoppio e quella assorbita da un veicolo, si nota che un aumento del numero di giri comporterebbe un incremento della potenza necessaria ed una diminuzione della disponibile, il sistema tenderebbe quindi a ridurre il numero di giri tornando in condizioni di equilibrio; questo ci assicura che la condizione di equilibrio è, dal punto di vista statico, stabile. COPPIA [Nm] [Giri/min] Disponibile Necessaria Fig. 2.7 Stabilità dell accoppiamento 2.9