IMPIANTO IDRAULICO CON ACCUMULATORE

Transcript

1 Politecnico di Milano Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Impianti e Sistemi Aerospaziali IMPIANTO IDRAULICO CON ACCUMULATORE Pinco Pallino Luglio

2 1. Premessa La relazione ha lo scopo di dimensionare un sistema di emergenza per l'estrazione del carrello d'atterraggio utilizzando un accumulatore a gas, tenendo conto dei fenomeni dovuti alla forte escursione termica alla quale è sottoposto un velivolo. 2. Indice 1. Premessa 2 2. Indice 2 3. Elenco dei simboli 3 4. Descrizione del problema e metodo di soluzione Disegnare un impianto idraulico per l'estrazione in condizioni normali e di emergenza Sovradimensionare l'area dell'attuatore del 100% rispetto al valore che si ottiene in condizioni normali di funzionamento trascurando il contrasto dovuto alla bassa pressione Verificare il funzionamento in emergenza alle temperature di -40 C e +70 C Determinare l'effettivo intervallo di temperature di funzionamento Tracciare i diagrammi forza-corsa alle varie temperature 5 5. Dati del problema Parametri impianto idraulico Parametri carrello-martinetto Richieste del problema 6 2

3 6. Calcoli e risultati Schema impianto idraulico Dimensionamento martinetto Verifica delle temperature assegnate Intervallo delle temperature di funzionamento Diagrammi dell'impianto Elenco dei simboli Area pistone Area stelo Coefficiente di dilatazione adiabatica Coordinata della posizione del pistone Corsa attuatore Costante dei gas ideali Diametro pistone Forza massima estrazione Forza minima sul pistone in Forza minima sul pistone in Numero di moli di gas Pressione accumulatore caricato Pressione accumulatore scaricato Pressione di precarica accumulatore Pressione impianto/pompa Temperatura di precarica accumulatore Temperatura massima da verificare Temperatura massima di funzionamento accumulatore Temperatura minima da verificare Temperatura minima di funzionamento accumulatore Volume accumulatore Volume di carica di azoto Volume di carica di azoto in Volume di carica di azoto in Volume di olio disponibile in Volume di olio disponibile in Volume di olio nell'accumulatore carico Volume martinetto/necessario Volume massimo di carica di azoto Volume minimo di carica di azoto 3

4 4. Descrizione del problema e del metodo di soluzione Il problema richiede la risoluzione dei seguenti punti: 4.1. Disegnare un impianto idraulico per l'estrazione in condizioni normali e di emergenza Nell'impianto idraulico, oltre alla linea di mandata, quella di ritorno e il serbatoio, sono presenti i seguenti componenti: a. Pompa a pressione costante b. Due valvole di non ritorno c. Valvola di sicurezza d. Accumulatore a gas(azoto) e. Valvola distributrice f. Martinetto idraulico collegato al carrello 4.2. Sovradimensionare l'area dell'attuatore del 100% rispetto al valore che si ottiene in condizioni normali di funzionamento trascurando il contrasto dovuto alla bassa pressione In condizioni normali di funzionamento la forza massima esercitata sul pistone per estrarre il carrello è pari al prodotto della pressione con l'area al quale va sottratto il contributo della pressione del serbatoio che agisce su un area. In questo caso viene richiesto di trascurare la bassa pressione della linea di ritorno e di dimensionare l'area il doppio rispetto a quella sufficiente a soddisfare il bilancio delle forze sul pistone in fase di estrazione. L'area dunque dovrà avere un valore dalla quale si può ricavare il diametro dell'attuatore Verificare il funzionamento in emergenza alle temperature di -40 C e +70 C Per poter verificare il funzionamento del sistema d'emergenza è necessario prima di tutto calcolare il volume che il liquido deve riempire a carrello completamente estratto: La fase di carica dell'accumulatore consiste in una compressione isoentropica che porta la pressione dell'azoto da a e una trasformazione isobara da a dovuta alla differenza di temperatura tra l'azoto e l'ambiente in cui si trova. Nell'estrazione in emergenza l'azoto contenuto nell'accumulatore viene sottoposto ad una trasformazione isoentropica(per la velocità con cui avviene) e quindi per verificare se l'attuatore funziona alle temperature e occorre trovare la pressione (minima sufficiente a soddisfare la richiesta di una forza pari almeno a corsa del pistone) e il volume che soddisfi. Considerando il gas come ideale durante tutta la 4

5 alle condizioni di e il volume dell'azoto è pari a Il volume disponibile è e affinché l'attuatore funzioni correttamente deve verificarsi. Riguardo al controllo sulla pressione, avendo un'espansione isoentropica la minima pressione garantita dall'attuatore corrisponde proprio alla pressione dell'accumulatore quando il carrello è completamente estratto. Quindi, nelle due situazioni di temperatura proposte, deve verificarsi la condizione 4.4. Determinare l'effettivo intervallo di temperature di funzionamento Per trovare e occorre considerare due condizioni estreme: la prima condizione è quella in cui la pressione fornita dall'accumulatore al carrello completamente estratto corrisponde esattamente a quella necessaria imposta da. Si ricava quindi il volume di carica tale per cui la scarica completa dell'accumulatore comporti una forza sufficiente a tenere estratto il carrello La temperatura invece è legata al volume disponibile in quanto all'aumentare di diminuisce. Al tal proposito si impone la condizione estrema che corrisponde a e perciò si ricava dal quale si ottiene 4.5. Tracciare i diagrammi forza-corsa alle varie temperature Per tracciare i diagrammi forza-corsa corrispondenti a diverse temperature occorre scrivere la formula della forza in funzione della coordinata Confrontando i grafici con il valore di si nota meglio il motivo per cui le temperature di funzionamento siano più ristrette di quelle assegnate dal problema. Inoltre dal grafico si può notare come sopra la si ottiene. 5

6 5. Dati del problema 5.1. Parametri impianto idraulico Pressione impianto Pressione di precarica accumulatore Temperatura di precarica accumulatore Volume accumulatore 5.2. Parametri carrello-martinetto Forza massima estrazione Corsa attuatore 5.3. Richieste del problema Sovradimensionamento area attuatore Temperatura minima da controllare Temperatura massima da controllare 6. Calcoli e risultati 6.1. Schema impianto idraulico 6.2. Dimensionamento martinetto 6.3. Verifica delle temperature assegnate 6

7 quindi per quanto riguarda il volume disponibile la condizione soddisfa la richiesta. quindi per quanto riguarda il volume disponibile la condizione non soddisfa la richiesta. quindi per quanto riguarda la forza erogata la condizione non soddisfa la richiesta. quindi per quanto riguarda la forza erogata la condizione soddisfa la richiesta. Se ne conclude che entrambe le condizioni di funzionamento non vanno bene, perché non fornisce un volume sufficiente e perché non fornisce una forza sufficiente Intervallo di temperature di funzionamento 7

8 6.5. Diagrammi dell'impianto Diagramma Forza-Corsa Grafico del volume disponibile in funzione della temperatura(alla pressione di 21 MPa) 8

9 Diagramma PV dell'azoto Il diagramma forza-corsa è stato ottenuto plottando in da a la funzione Il diagramma TV riguardante il volume disponibile si è ottenuto plottando la funzione Il diagramma PV dell'azoto si è ottenuto plottando la relazione pressione-volume delle trasformazioni adiabatiche alle diverse temperature(rispettivamente ). Il tratto giallo(trasformazione 2-3) indica il campo degli ammissibili stati del gas caricato ed è stato ottenuto plottando i valori ammessi del volume del gas carico, ovvero da a. 9

10 1. Preface This relation has the purpose of checking if a kind of pump, whose data are well defined by the problem, is able to support a fuel system composed by two wing tanks, each linked to a different main tank set in the fuselage. These two main tanks provide fuel to two tail engines. There are four pump, one between each couple of main tank and wing tank and one between each conduit which links a fuselage tank to an engine. 2. Index 1. Preface Index Symbols used Description of the problem and method of resolution Calculate the losses due to the alimentation pipelines and the transfer pipelines Checking if the pump given can support the fuel system in normal condition Checking if the pump given can support the fuel system in cross feed With cross feed next to the pumps With cross feed next to the engines Checking if the pump given can support the transfer from a wing tank 14 to a main one 11

11 In normal condition In cross feed Problem data Engines parameters Pipelines parameters Alimentation line Transfer line Fuel characteristics Results Pipelines losses Calculations and graphs about pump in normal condition Calculations and graphs about pump in cross feed condition Cross feed next to the tanks Cross feed next to the engines Calculations and graphs about pump used in transfer line In normal condition In cross feed Symbols used Alimentation pipeline diameter Alimentation pipeline head losses coefficient Alimentation pipeline length Alimentation pipeline minor losses coefficient Alimentation pipeline pressure losses Alimentation pipeline Reynolds number Alimentation pipeline section Fuel density Fuel kinematic viscosity Maximum engine fuel flow rate Maximum engine fuel flow rate in mass unit Maximum engine fuel flow rate in mass unit Maximum engine pressure Maximum pump pressure Minimum engine fuel flow rate Minimum engine pressure Minimum pump pressure Pipeline turbulent head losses coefficient Transfer pipeline diameter Transfer pipeline head losses coefficient 12

12 Transfer pipeline length Transfer pipeline minor losses coefficient Transfer pipeline pressure losses Transfer pipeline Reynolds number Transfer pipeline section 4. Description of the problem and method of resolution The problem asks about solving these following questions 4.1. Calculate the losses due to the alimentation pipelines and the transfer pipelines All the calculations must be executed with SI units and the flow rate has to be converted to a volumetric unit form with To calculate the losses which happen to the pressure when the fuel flows into the pipelines it is requested to calculate the pipeline general head losses coefficient whit the following function In Reynolds' formula the specific dimensions used are the diameters of the tubes while the flow speed is calculated as the flow rate divided by the area of the section of the pipelines. So the formula becomes where is or, can be or, and the same for and. The flow rate is the independent variable, which goes from to (this values change due to normal condition or cross feed) Checking if the pump given can support the fuel system in normal condition(no failure in the fuel system) In normal condition each pump must provide to the engines a flow rate between and while the pressure of the fuel just before entering into the engine system must be between and. The pipelines pressure losses imply a greater pressure of the fuel next to the pump: so the value of the pressure shortly after the pump must be between and. Plotting the following two function and comparing them with the pump graph allows to check if the pump is able to provide fuel between the defined boundaries of pressure and flow rate without any problem. 13

13 4.3. Checking if the pump given can support the fuel system in cross feed (emergency condition) In case of failure that occurs into a sector of the fuel system is used to rule out part of the system and provide to the request of the engines with just one pump working. The consequence is that one pump supports two engine at the same time. The position of the cross feed can produce different effects. In every situation the pump must be able to provide a doubled flow rate With cross feed next to the pumps If the cross feed system is installed next to the pump it means that into each pipeline flows half of the flow rate given by the pump. This changes the form of the formula for the pressure losses to and graphs go into a dilatation with vertical direction With cross feed next to the engines If the cross feed system is installed next to the engine it means that the fuel flows only into one pipeline with a doubled flow rate. This doesn't change the form of the formula for the pressure losses but simply and are valued also at greater value for the flow rate, causing very easily the requirement of another better (or more powerful) pump Checking if the pump given can also support the transfer from a wing tank to a main one In normal condition Considering the same flow rate value, the pressure of the fuel at the entrance of the main tank must be equal or greater than the pressure of the pump that takes the fuel from the main tank: if it isn't, the main tank begins to empty bringing to a situation without fuel into the main tank but still some into the wing tank. The pressure losses for the transfer lines are If stays below the pump graph for the whole interval of possible flow rates, it means that the pump is strong enough. This kind of approach to the problem is due to the consideration of an equal tank pressure between wing tank and main tank In cross feed In cross feed the only change that occurs is that the transfer pipeline is submitted to a wider flow rate interval. This means that the formula is the same of the normal condition one but the risk of higher pressure losses increases quadratically. 14

14 5. Problem data 5.1. Engines parameters Maximum fuel flow rate Minimum fuel flow rate Maximum pressure allowed Minimum pressure allowed 5.2. Pipelines parameters Turbulent head losses coefficient Alimentation line Length Diameter Minor losses coefficient Transfer line Length Diameter Minor losses coefficient 5.3. Fuel characteristics Fuel density Kinematic viscosity 6. Results 6.1. Pipelines losses 15

15 400 0, ,0675 0, , ,5844 0, , , ,169 0, , ,461 0, , , ,753 0, , ,192 0, , , ,338 0, , ,922 0, , , ,922 0, , ,653 0, , , ,507 0, , ,383 0, , ,091 0, , ,114 0, , , ,675 0, , ,844 0, , , ,26 0, , ,57 0, , Calculations and graphs about pump in normal condition , , , , , , , , , , , , , , , ,7 16

16 The pump remains between and for the whole flow rate possible interval and so the pump can be used in normal condition Calculations and graphs about pump in cross feed condition Cross feed next to the tanks 800 0, ,0675 0, , , , ,169 0, , , , ,753 0, , , , , ,338 0, , , , , ,922 0, , , , , ,507 0, , , , , ,091 0, , , , , ,675 0, , , , , ,26 0, , , ,7 17

17 The pump remains between and for the whole flow rate possible interval and so it can be used in this kind of cross feed condition Cross feed next to the engines 800 0, ,135 0, , , , , ,338 0, , , , , ,507 0, , , , , ,675 0, , , , , ,844 0, , , , , ,01 0, , , , , ,18 0, , , , , ,35 0, , , , , ,52 0, , , ,9 The pump doesn't remain between and for the whole flow rate possible interval and so it can't be used in this case. 18

18 6.4. Calculations and graphs about pump used in transfer line In normal condition 400 0, ,5844 0, , , ,461 0, , , ,192 0, , , ,922 0, , , ,653 0, , , ,383 0, , ,114 0, , , ,844 0, , , ,57 0, ,75 The pump remains above for the whole flow rate possible interval and so it can be used to transfer fuel from a wing tank to a main tank without empty the main one. 19

19 In cross feed 800 0, ,169 0, , , ,922 0, , , ,383 0, , ,844 0, , , ,31 0, , , ,77 0, , ,23 0, , , ,69 0, , , ,15 0, The pump doesn't remain above for the whole flow rate possible interval and so it can't be used to transfer fuel from a wing tank to a main tank without empty the main one. 20