Studio di massima di un sistema di sovralimentazione di un motore diesel turbocompound basato su turbina Allison 250-C18

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Studio di massima di un sistema di sovralimentazione di un motore diesel turbocompound basato su turbina Allison 250-C18 Tesi di laurea di: Michele Ianniello Relatore: Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli

2 MOTIVAZIONI DELLO STUDIO Fornire una adeguata sovralimentazione al motore diesel già presente (VD007( ). Studiare il comportamento del gruppo a turbina Allison 250 c-18c 18. Incrementare la sicurezza del velivolo.

3 Motore VD007 Motore Diesel Common-Rail di ultima generazione con le seguenti specifiche tecniche: Cilindrata V: 19000cc Rapp. di compressione: 15,5 Numero giri a regime n: 3800 rpm Peso: 350 Kg POTENZA MASSIMA: 2180 CV PORTATA ARIA IN MASSA: Qm = n/2 * V * hv * r = 3,6 kg/s hv= rendimento volumetrico = 0,91 r = densità a 50 C e 6,2 bar

4 Caratteristiche della turbina Il compressore è composto da sei stadi a flusso assiale e da uno stadio a flusso centrifugo, il rapporto di compressione complessivo è di 6,2:1. La parte motrice si compone invece di quattro stadi di turbina: a. Due Generatori di gas: : trascinano il compressore e sono pertanto calettate sullo stesso albero, b. Due Turbine di potenza La portata massima elaborata a terra e in condizioni di potenza massima è 3,1 lb/min. ovvero circa 1,35 kg/s. La potenza sviluppata in queste condizioni è di 317 Cv. VELOCITA DI ROTAZIONE MASSIME: N1 = rpm N2 = rpm

5 Allison 250 c-18c : SCHEMA DI FUNZIONAMENTO

6 Funzionamento della turbina come sistema di sovralimentazione del motore diesel Utilizzare la turbina Allison come turbocompressore del motore diesel. Durante il funzionamento ordinario il motore diesel è sovralimentato dal compressore dell Allison e i gas in uscita dal motore mettono in rotazione le due turbine del generatore garantendo l autosostentamento del gruppo. Aumentare il salto di entalpia da sfruttare nel turbocompound attraverso un post-bruciatore supplementare appositamente progettato.

7 Funzionamento Ordinario Diesel Vd 007 C Bruciatore 1000 C B1 ELICA T1 Aspirazione Post-Bruciatore 1200 C B2 Gruppo Allison T2

8 Funzionamento in emergenza Diesel Vd 007 In condizioni di avaria del motore diesel, la mandata del compressore è immessa nella camera di combustione del gruppo Allison. C Aspirazione B1 T1 Bruciatore Post-Bruciatore B2 ELICA Gruppo Allison T2

9 Adattamento all uso con il motore diesel Portata turbina Allison 1,35 kg/s Portata del motore diesel 3,6 kg/s. La turbina Allison verrà ridimensionata in ogni sua parte in modo però da rispettare le condizioni di funzionamento della macchina originale. inale. Vale a dire che si farà in modo che i triangoli di velocità si mantengano uguali al gruppo di partenza. L adattamento L alla portata massica del motore alternativo porterà dunque all aumento aumento del diametro medio di tutto il motore a turbina. Inoltre, per mantenere le condizioni di similitudine di funzionamento sarà necessario far girare il gruppo ad un velocità minore in maniera da mantenere la stessa velocità periferica. La nuova velocità di rotazione del gruppo compressore e generatore di gas N1 passa da a rpm. ω r = Vp

10 Adattamento all uso con il motore diesel Acquisite le dimensioni fondamentali: Diametro di Mozzo Altezza palettature Numero pale Dividendo la Portata Necessaria al VD007 per quella specifica è possibile trovare l area di passaggio necessaria ad alimentare il motore diesel. La condizione di mantenere costante la velocità periferica permette di calcolare il nuovo raggio del mozzo. L altezza delle pale è proporzionale all incremento del raggio di mozzo. PROCEDIMENTO DI CALCOLO ESTESO al COMPRESSORE (6+1) e al GENERATORE DI GAS. LA TURBINA DI POTENZA E E STATA RIPROGETTATA.

11 Configurazione in fase di decollo Caratteristiche aria al decollo: T0 = 15 C p0 = 1,01 bar b= = 6,2 L aria che esce dal compressore si trova a: T1 = T0* b (n-1)/n = 258 C p1 = 6,2 bar H0=Cp(T)* T= 286 kj/kg H1=576 kj/kg Prima di sovralimentare il diesel, riportiamo la temperatura dell aria compressa intorno ai 50 C attraverso uno scambiatore di calore (After-Cooler). L aria che alimenta il diesel si trova a: T1afterc. = 50 C p1 = 6,2 bar

12 Configurazione in fase di decollo I gas in uscita dal diesel vengono portati a 1000 C dal Bruciatore principale del gruppo Allison T2 = 1000 C p2 = 6,2 bar H2=1565 kj/kg Per determinare gli stati termodinamici dei gas in uscita dai gruppi di turbine si è utilizzata la condizione di autosufficienza dei gruppi Turbogas utilizzati: ht * (DH( turbina) ) = (DH( compressore compressore)/ hc

13 Configurazione in fase di decollo Eseguendo i calcoli per entrambi gli stadi di espansione ed utilizzando i dati : h c = 0,75 h t =0,85 si è ottenuto in uscita dal generatore di gas: H3 = 1136 KJ/Kg T3= 695 C p3 =2 = 2 bar Dal momento che a 0m la pressione atmosferica vale p=1,01 bar il Dp a disposizione per il Turbocompound risulta essere di circa: Dp p = 1bar

14 Configurazione in fase di decollo Il postbruciatore B2 Studio NACA su bruciatore da 16 (406mm) per ramjet sull efficienza di combustione. Condizioni operative: f = 0,010-0,045 velocità = 80 m/s. Dimensionamento di massima del diametro per adeguare il postbruciatore alle nostre esigenze. Si è supposto e=0,5 e dai dati sul motore e da valutazioni sulla potenza termica si è ricavato un f =0,03. f:rapporto combustibile/aria f:rapporto combustibile/aria e: eccesso d aria ( V& 3 = m& / = 5m s) ρ fumi tot fumi / A V = & u fumi postbrucia tore = fumi 0,06m 2

15 Configurazione in fase di decollo Turbina Assiale ad Azione T2 Principali vantaggi nell utilizzo di una turbina assiale: possibilità di funzionamento a temperature molto elevate,, come quelle dei fumi che escono dal postbruciatore (1200 C); possibilità di funzionamento entro un ampio range di potenze: : si determina quindi il diametro delle giranti (e quindi il numero di d palettamenti) ) in base alle esigenze specifiche; possibilità infine di variare la portata in volume dei fumi variando l arco di ammissione della turbina stessa. T t in =1200 p in 2 bar m& tot = 3,6 kg / s C ht 320 kj / kg L = 222 kj P = P utile L m& kg 800 kw 1066 CV = η P = 0, ~ = 1013CV o tot

16 Configurazione in quota: 3000m CARATTERISTICHE ARIA : p T atm atm p V = = 0,7 bar = 0 C R T > ρ aria3000 b= = 6,2 p = 4,24 bar 1 CASO CON POST-BRUCIATORE DISATTIVATO: T t in = 800 m& tot = 2,5kg / s C p in 1,6 bar ht 195 kj / kg L = 130 kj P = P utile L m& kg 325 kw 435 CV = η P = 0, ~ = 415 CV o tot

17 Conclusioni Il sistema garantisce un buon aumento di potenza (circa 1000 cv). Il fatto che il VD007 e la turbina Allison siano collegati solamente tramite la stessa portata di aria costituisce una ulteriore garanzia contro avarie meccaniche del motore diesel. La presenza di un sovralimentatore che di fatto può diventare un propulsore ausiliario capace di far mantenere una quota relativamente elevata, incrementa in maniera importante la sicurezza nell aviazione civile.

18 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Studio di massima di un sistema di sovralimentazione di un motore diesel turbocompound basato su turbina Allison 250-C18 Tesi di laurea di: Michele Ianniello Relatore: Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli