Promemoria lezione AA

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1 Promemoria lezione AA Rendimento propulsivo Tipi di propulsione Teorema di Froude Teoria dell elica

2 Classificazione Una classificazione utile dei propulsori aeronautici distingue i sistemi che elaborano portate d'aria atmosferica (air-breathing engines), da quelli che non ne hanno necessità (non air-breathing engines). Esistono poi. almeno in linea di principio, propulsori ibridi, che combinano sistemi air-breathing e non air-breathing. Propulsori ad elica, a getto e a razzo propulsori ad elica (propeller engines), nei quali, ad un motore capace di fornire una potenza su un albero, è accoppiata un'elica aeronautica (propeller ) per la generazione della spinta per accelerazione di una portata d'aria esterna. propulsori a getto (jet engines), nei quali la spinta è generata direttamente per accelerazione di gas a seguito di un processo di combustione; endoreattore, o motore razzo (rocket engine), il quale elabora soltanto portate di fluido trasportato a bordo del velivolo.

3 Jet engines Compressore centrifugo Compressore assiale

4 Turbofan engines L uso di turbofan, con piccola o grande diluizione, riduce I consumi e contribuisce a ridurre il livello di rumore High-bypass Low-bypass Bypass ratio 2-5 Bypass ratio 6-9

5 Turboshaft engine turboelica

6 Statoreattore scramjet supersonic combustion ramjet

7 Turbostatoreattore Lockheed SR-71 Blackbird Lunghezza 32,74 m Apertura alare 16,94 m Altezza 5,64 m Superficie alare 167,22 m² Peso a vuoto kg Peso Massimo kg Velocità massima Mach 3 Autonomia Km Tangenza m

8 Type Advantages Disadvantages Turbojet Turbofan Turboprop Turboshaft Scramjet Simplicity of design, efficient at supersonic speeds (~M2) Quieter due to greater mass flow and lower total exhaust speed, more efficient for a useful range of subsonic airspeeds for same reason, cooler exhaust temperature. High bypass variants exhibit good fuel economy. High efficiency at lower subsonic airspeeds (300 knots plus), high shaft power to weight Few mechanical parts, can operate at very high Mach numbers (Mach 8 to 15) with good efficiencies A basic design, misses many improvements in efficiency and power for subsonic flight, relatively noisy. Greater complexity (additional ducting, usually multiple shafts) and the need to contain heavy blades. Fan diameter can be extremely large, especially in high bypass turbofans such as the GE90. More subject to FOD (Foreign Object Damage) and ice damage. Limited top speed (aeroplanes), somewhat noisy, complex transmission Still in development stages, must have a very high initial speed to function (Mach >6), cooling difficulties, very poor thrust/weight ratio (~2), extreme aerodynamic complexity, airframe difficulties, testing difficulties/expense

9 The Saturn V Popularly known as the Moon Rocket Function Manufacturer Country of origin Size Height Diameter Mass Stages 3 Capacity Payload to LEO Payload to Lunar orbit Associated Rockets Launch History Launch sites Total launches Maiden flight Manned LEO and Lunar launch vehicle Boeing, North American, Douglas,IBM United States m (363 ft) 10.1 m (33 ft) 3,038,500 kg (6,699,000 lb) 118,000 kg 47,000 kg LC-39, Kennedy Space Center 13 (including INT-21) November 9, 1967 (SA-501) Last flight December 6, 1972 (May 14, INT-21) First Stage - S-IC Engines 5 Rocketdyne F-1 Thrust MN (7,648,000 lbf)

10 De Laval nozzle Fu sviluppato inizialmente nel XIX secolo dall'ingegnere svedese Gustaf de Laval, per utilizzarlo nelle applicazioni moderne per ottenere un getto di gas combusti supersonici in uscita, determinando un'espulsione di gas tali da provocare, per reazione, una spinta. L'ugello ha la funzione d'accelerare il moto dei gas di scarico che viaggiano a velocità sub-sonica, portandoli a una velocità super-sonica, in modo da espandere il gas e sfruttarne la spinta. Questo si ottiene quando si ha il raggiungimento della velocità del suono nella sezione di minore diametro, detta gola e in queste situazioni il gas assumerà caratteristiche soniche espandendosi con una forza elevata nel tratto divergente e raggiungerà una velocità super-sonica, dato che i gas raggiunta la velocità sonica si rifletteranno sulle pareti dell'ugello e riflettendosi nel tratto divergente aumenteranno la loro velocità (maggiore sarà la lunghezza e in minor parte la conicità e maggiore sarà la velocità).

11 Rapporto Spinta Peso

12 Variazione della quantità di moto con variazione di massa Vettore quantità di moto Velocità di volo Forza aerodinamica Spinta esterna Peso Massa attuale del velivolo Variabile per consumo di carburante Il carburante si allontana dal velivolo con velocità relativa di efflusso e possiede una velocità rispetto al suolo

13 Variazione della quantità di moto con variazione di massa spinta totale Interpretabile come spinta interna

14 Meccanica della propulsione come variazione di q. di m. Portata d aria Portata di combustibile Portata totale Flusso di quantità di moto in ingresso ingresso Flusso assiale uscita Flusso di quantità di moto in uscita Motoelica Spinta o trazione Endoreattore Esoreattore

15 Meccanica della propulsione come variazione di q. di m. Propulsore è inteso globalmente come dispositivo che varia la q. d. m. di una o più portate di gas in ingresso, accelerandole in uscita con velocità relativa di ejezione ingresso Spinta Potenza disponibile available uscita Potenza perduta Energia cinetica per unità di tempo dei gas in uscita Potenza totale scambiata Rendimento propulsivo

16 Meccanica della propulsione come variazione di q. di m. Osservatore assoluto Motoelica ingresso uscita

17 Meccanica della propulsione come variazione di q. di m. Osservatore assoluto Esoreattore ingresso uscita

18 Meccanica della propulsione come variazione di q. di m. Osservatore assoluto Endoreattore ingresso uscita

19 Propulsione ad elica The propellers of C 130 Hercules Rotating the Hamilton Standard 54H60 propeller on a US Navy EP-3E Orion's four engine as part of pre-flight checks. The Orion is an antisubmarine warfare aircraft

20 Elica a passo variabile

21 Wright brothers The twisted airfoil (aerofoil) shape of modern aircraft propellers was pioneered by the Wright brothers when they found that all existing knowledge on propellers (mostly naval) was determined by trial and error and that no one knew exactly how they worked. USPS stamp depicting the "Flight." They found that a propeller is essentially the same as a wing and so were able to use data collated from their earlier wind tunnel experiments on wings. They also found that the relative angle of attack from the forward movement of the aircraft was different for all points along the length of the blade, thus it was necessary to introduce a twist along its length. Their original propeller blades are only about 5% less efficient than the modern equivalent- some 100 years later

22 Flusso indotto dall elica

23 Propulsione ad elica Teorema di Froude Le prestazioni stazionarie di un elica in via preliminare possono essere spiegate ricorrendo allo schema semplificato dell applicazione del teorema di variazione della quantità di moto che va sotto il nome di Teorema di Froude. Da questo punto di vista l elica è vista come un dispositivo che impartisce alla massa d aria elaborata un accelerazione secondo la direzione dell asse dell elica stessa. Lo schema che ne risulta è uno schema di flusso assiale in cui l elica è interpretata come un disco attuatore di spinta, di continuità per la velocità e di discontinuità per la pressione.

24 Propulsione ad elica Equazione di continuità Conservazione della massa Osservatore relativo trasla con la velocità Teorema di Froude Flusso incomprimibile In corrispondenza del disco attuatore l area del disco è pari all area spazzata dalle pale dell elica Continuità di velocità attraverso il disco attuatore Discontinuità di pressione attraverso il disco attuatore Espansione fino alla pressione ambiente

25 Propulsione ad elica Osservatore relativo trasla con la velocità Trazione come variazione di quantità di moto Teorema di Froude Trazione come integrazione della discontinuità di pressione Teorema di Bernoulli fra le sezioni 0 e 1 Teorema di Bernoulli fra le sezioni 2 e 3 Continuità di velocità attraverso il disco attuatore Espansione fino alla pressione ambiente

26 Propulsione ad elica Osservatore relativo trasla con la velocità Trazione come variazione di quantità di moto Teorema di Froude Trazione come integrazione della discontinuità di pressione Dall applicazione del teorema di Bernoulli Espressioni della trazione Il flusso viene accelerato per metà a monte e per metà a valle dell elica

27 Propulsione ad elica Teorema di Froude Velocità indotta Velocità indotta Potenza disponibile Trazione Potenza dissipata, indotta Potenza scambiata Rendimento propulsivo

28 Angolo di calettamento e passo costruttivo PIANO DI ROTAZIONE p passo 2 p r Ogni sezione dell elica può avere un calettamento ( passo p) diverso Passo convenzionale quello al 75% del raggio della pala

29 Triangolo delle velocità La velocità effettiva è somma delle velocità di: rotazione avanzamento indotta La velocità indotta è assunta ortogonale alla velocità effettiva Angolo di influsso geometrico Angolo di influsso aerodinamico Proiezione in direzione di Proiezione in direzione di Angolo di calettamento Angolo di incidenza geometrica Angolo di incidenza indotta Angolo di incidenza effettiva

30 Ripartizione della potenza Relazioni trigonometriche Trazione elementare Componente tangenziale elementare Potenza elementare scambiata all albero Potenza indotta Potenza passiva Potenza disponibile

31 Teoria dell elemento di pala Diametro dell elica Numero di giri al minuto Rapporto di funzionamento Numero di pale Coppia elementare Calettamento di riferimento Trazione Coppia Potenza

32 Formule di Renard Diagrammi del coefficiente di trazione coppia e rendimento in funzione del rapporto d avanzamento per un assegnato valore del passo dell elica. rapporto d avanzamento

33 Passo variabile

34 Diagramma funzionale tipico di un elica Diagrammi del coefficiente di trazione coppia e rendimento in funzione del parametro d avanzamento per un assegnato valore del passo dell elica coefficiente di potenza e rendimento propulsivo in funzione del parametro d avanzamento al variare del passo dell elica

35 Passo variabile rendimento propulsivo Al variare del rapporto di funzionamento, variando il passo dell elica, è possibile ottenere Il massimo rendimento propulsivo che risulta praticamente indipendente da

36 Diagramma funzionale dell elica Assegnati il calettamento ed il parametro di funzionamento dell elica si ottengono i valori dei coefficienti di potenza e trazione e quindi il rendimento propulsivo

37 Potenza e trazioni disponibili Approssimazione di potenza costante con la velocità trazione inversamente proporzionale alla velocità Variazione approssimativa della potenza della motoelica con la quota

38 Potenza e trazioni disponibili Approssimazione di trazione costante con la velocità Variazione approssimativa della trazione del turbogetto con la quota

39 Potenza e trazioni disponibili Approssimazione di potenza costante con la velocità Approssimazione di trazione costante con la velocità Variazione approssimativa della potenza della motoelica con la quota Variazione approssimativa della trazione del turbogetto con la quota

40 Prestazioni dei propulsori Variazione tipica della trazione con la velocità Approssimazioni di trazione o potenza costanti

41 Potenze e rendimenti Il rendimento propulsivo di un propulsore misura l efficienza di un propulsore nella trasformazione di energia/potenza meccanica in energia/potenza utile alla propulsione Potenza meccanica, scambiata dal motore con il fluido Potenza utile Potenza dissipata Rendimento propulsivo Il rendimento termico di un motore a combustione interna misura l efficienza della trasformazione di energia/potenza termica in energia/potenza meccanica Flusso termico, potenza termica Potere calorifico specifico per unità di massa Rendimento termico Rendimento totale

42 Motoelica variazione con la quota Potenza scambiata, Shaft or Brake horse power Pressione d alimentazione Formule approssimate Velocità angolare Andamento con la quota Consumo specifico BSFC brake specific fuel consumption Potenza disponibile, available power

43 Turbogetto variazione con la quota Velocità Pressione Temperatura Formule approssimate Andamento con la velocità e quota Consumo specifico TSFC thrust specific fuel consumption