Corso di MECCANICA DEL VOLO Modulo Prestazioni Lezioni n. 11 Caratteristiche propulsive

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1 Corso di MECCANICA DEL OLO Modulo Prestazioni Lezioni n. 11 Caratteristiche propulsive Corso di Meccanica del olo - Mod. Prestazioni - Prof. Coiro / Nicolosi 1

2 - Razzi (Rockets) -Ramjet - Turbojet - Turbofan - Turboprop - Motoelica

3 - Razzi (Rockets) (o anche Endoreattori) -Ramjet

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6 Motoelica

7 Motoelica

8 Turbogetto

9 Turboprop (tipo ATR42)

10 Turbofan BPR (By-Pass Ratio)

11 Principio di funzionamento T = m& ( ) j

12 Principio di funzionamento Aria si muove a vel. j Energia cinetica per unità di massa 1 2 ( j 2 ) Quest energia cinetica è interamente dissipata Potenza = forza velocità

13 La potenza utile, chiamata potenza disponibile Π d = T Ma c è anche una quantità di potenza dissipata (aria in uscita) 1 2 m& ( j => Potenza totale prodotta dal congegno propulsivo 2 ) 1 = T + m& ( j 2 2 ) η j = potenzadisponibile potenzatotaleprodotta

14 2 ) ( = m T T j j & η 2 ) ( 2 1 ) ( ) ( + = m m m j j j j & & & η m j ) & ( Dividendo num e denom. per ) ( ) / ( = + = j j η j + = j j 1 2 η EFFICIENZA PROPULSIA (Froude Efficiency)

15 Possiamo definire anche la spinta specifica: j j j C m T + = + = + = ) / ( 2 2 & η + = j j 1 2 η ( ) = m T j & Spinta prodotta per unità di portata di massa [N/(kg/sec)] o anche dimensione di una vel. [m/s] Abbiamo introdotto il jet velocity coeff. 1 = = m T C j j & j j + C = 2 2 η

16 C j = T m& = j 1 jet velocity coeff. 2 η j = 1+ j 2 η j = 2 +C j Propulsive efficiency

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18 L efficienza propulsiva dell elica è maggiore di quella del getto. - Elica: piccolo incremento di velocità ad una grossa massa aria - Jet: grande incremento di velocità ad una piccola quantità di aria

19 Principio di funzionamento

20 MOTOELICA

21 MOTOELICA Π a d p e RPM la cilindrata con d (dall inglese displacement) pressione media efficace pe Consumo specifico c = pesodicombustibileconsumatoperdatoincrementoditempo ( potenzasviluppata)( incrementoditempo) lb [] c = ( ft lb / s)( s) [] c = N W s

22 MOTOELICA SFC = lb hp h Unità ingegneristiche valore tipico [lb/(hp h)]. Il che vuol dire che un motore da 100 hp in funzionamento al massimo della potenza per un ora di volo consuma circa 50 lb di combustibile (cioè circa 25 Kg di combustibile). Teniamo anche presente che il peso specifico del combustibile è circa 0.70 Kg/l, quindi un serbatoio da 100 l di combustibile è capace di trasportare 70 Kg di combustibile.

23 MOTOELICA ariazione di potenza e SFC con vel e quota Π a è ragionevolmente costante con la velocità SFC è ragionevolmente costante con la velocità Negli Stati Uniti i due principali produttori di motori alternativi aerei sono Teledyne Continental e Textron Lycoming. I cavalli vapore a livello del mare per questi motori generalmente variano da 75 a 300 hp. Per questi motori un tipico valore di SFC è 0.4lb di carburante consumate per cavallo vapore per ora. Effetto quota Π Π a ρ = a ρ 0 0 oppure Π Π a a 0 = ρ ρ

24 MOTOELICA Motori Supercharged (turbocompressi)

25 MOTOELICA Πa=Πa o σϕ Quindi effetto della quota e del grado di ammissione

26 ELICHE

27 ELICHE Π d = η pr Π a Il rendimento dell elica è una funzione del rapporto di avanzamento J definito come J = ND

28 ELICHE r tip πnd ω = ) ( ( ) N r r ω 2π = (angolo vel locale) ( )( ) π π π ω J ND N D r tip = = = 2 2 /

29 ELICHE r tip πnd ω = ) ( ( ) N r r ω 2π = (angolo vel locale) ( )( ) π π π ω J ND N D r tip = = = 2 2 /

30 ELICHE

31 ELICHE

32 ELICHE Elica a passo variabile Elica a giri costanti

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39 T Turbojet ( m& air + m& fuel ) j m air + ( p e p ) A e = &

40 T Turbojet ( m& air + m& fuel ) j m air + ( p e p ) A e = & c j = pesodelcarburanteconsumatoperdatoincrementoditempo ( sp int asviluppata)( incrementoditempo) N 1 c j = = N s s [ ] [ SFCJ ] = lb lb h = 1 h

41 Turbojet

42 Turbojet

43 Turbojet

44 Turbojet TSFC = km SFCJ è costante con la quota Spinta cost. con T Effetto quota T ρ = 0 ρ 0

45 p p total static γ 1 = 1+ M 2 2 γ / ( γ 1) Turbojet Condizioni supersoniche T T Mach1 ( M 1) =

46 Turbofan BPR : apporto di By-Pass o anche rapporto di diluizione

47 Turbofan

48 Turbofan

49 Turbofan - Low BPR -HIGH BPR

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51 ariazione Spinta con el e quota Turbofan Condizioni di decollo T T = 0 =

52 ariazione Spinta con el e quota 1.00 Turbofan Condizioni di crociera e salita T o _cr = T o T/Tcr_o z=10000 ft z= z=20000 ft 0.40 z=25000 ft z=30000 ft z=35000 ft 0.20 z=40000 ft z=45000 ft M

53 ariazione Spinta con el e quota Turbofan Condizioni di crociera e salita K MZ = T o T _ cr z=0 ft (S/L) KMZ=T/Tcr_o = M M2 z= ft KMZ=T/Tcr_o = M M2 z= ft KMZ=T/Tcr_o = M M2 z= ft KMZ=T/Tcr_o = 0.39 z= ft KMZ=T/Tcr_o = 0.33 z= ft KMZ=T/Tcr_o = 0.27 z= ft KMZ=T/Tcr_o = 0.21 z= ft KMZ=T/Tcr_o = 0.16 T = KMZ 0.80 To ϕ

54 ariazione Spinta con el e quota Turbofan Condizioni di crociera e salita E abbastanza valida T T = ρ 0 ρ 0 m Alle alte quote : T = T 0.80 σ ϕ = T _ cr o o σ ϕ

55 Turbofan ariazione Consumo specifico con el e quota ( + ) c t = B 1 km SFCJ= lb/(lb h)

56 Turbofan

57 Turbofan

58 Turboelica

59 Turboelica Π d = ( T + ) p Tj Π d = η p Π a + T j Equivalent Shaft Horsepower (Pot all albero equivalente) Π η p Π d ea = η = η p Π p a Π + T j ea Π ea = Π a T In ultimo forniamo una utile regola basata sull esperienza pratica: in condizioni statiche (motore che opera con l aeroplano a velocità nulla al suolo) una turboelica produce circa 2.5 lb di spinta per cavallo vapore all albero. Questa osservazione va utilizzata se dobbiamo considerare la spinta di un motore turboelica in decollo. + j η p

60 Turboelica EFFETTO RAM!!

61 Turboelica EFFETTO RAM!! Kv = * (/100) * (/100) 2 con espressa in Km/h Kv [Km/h]

62 EFFETTO Quota Turboelica Π Π a a,0 = ρ ρ 0 n n = 0.7 O anche Π Π a ao = ρ ρ 0 = σ Π a = Π ao ϕ σ Kv

63 Turboelica Consumo specifico SFC= lb hp h

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68 ELICA Π [hp] 400 rendimento dell'elica 0.80 P o Πd = o η P Pot disponibile a quota 0 Motore Pratt&Whitney PT6A-27. (Potenza di targa, cioè potenza al decollo, o anche massima a quota 0=620 hp). Rendimento dell elica a passo variabile ηp =0.80. Tener presente che Td=Pd/ fornisce Td in [N] se Pd è in [Watt] e in [m/s]. Potenza disponibile a quota 5000 m (sigma=0.60) spinta disponibile a quota 0 : Td=Pd/ [Km/h] Td [Kg] 1500 spinta disponibile a 5000 m (sigma=0.60) [km/h]

69 8000 Td [Kg] To=8300 Kg Td=0.80 * To * (sigma) TURBOFAN Motore turbofan JT9-D (Motore del velivolo MD-80). Spinta massima al decollo To=8300 Kg. Td massima in volo a quota di ft (sigma=0.31) Potenza disponibile in volo alla quota di ft Pd=Td * Pd [hp] [Km/h]

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