Impianti per il trasferimento di energia

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1 Capitolo 2 Impianti per il trasferimento di energia 2.1

2 2.1 Introduzione 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 è schematizzabile come nella fig. 2.1, 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. GENERAZIONE REGOLAZIONE DISTRIBUZIONE UTENZE Fig Elementi fondamentali di un impianto 2.2 Energie utilizzabili a bordo I metodi utilizzabili per trasferire e poter controllare energia sono vari in funzione del tipo di utilizzatore, come indicato in tabella 2.1. 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. 2.3 Trasferimento di energia meccanica Per quanto riguarda l'energia meccanica i sistemi utilizzabili sono: trasmissioni meccaniche; motori a combustione interna; motori elettrici; motori idraulici. 2.2

3 Le trasmissioni meccaniche consentono il trasferimento di energia meccanica dalla sorgente primaria all'utilizzatore. Il loro utilizzo è comunque 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. 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. 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 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 ulteriore aggravio in termini di peso. L'energia idraulica può essere distribuita con relativa semplicità, permette di realizzare motori rotativi e con maggiore semplicità anche 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. In praticamente 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. 2.4 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 2.3

4 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 del potenziale (tensione elettrica o pressione che sia) e tende ad limitare l interferenza nell impiego contemporaneo di diverse utenze. I A B 1 2 E 1 2 Fig. 2.2 Sistemi elettrici a intensità costante e potenziale costante Mentre nel circuito di sinistra, alimentato in corrente, la chiusura dell interruttore A provoca una diminuzione della corrente nella lampada 1 e quindi, se le due lampade sono uguali, un dimezzamento della potenza nella lampada 1, nel circuito di destra, alimentato in tensione, la chiusura dell interruttore B non ha alcun effetto sulla lampada 1. 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 W T Fig. 2.3 Curve di carico in funzione del tempo 2.4

5 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. In prima approssimazione questa analisi può essere fatta 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. Per ognuna di queste fasi è possibile determinare 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. Da queste curve e dal 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. 2.3 riporta un esempio di due curve di carico e del loro inviluppo. 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. 2.5