Fondamenti di Aerospaziale

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1 Fondamenti di Aerospaziale Prof. Renato Barboni

2 Forme di Energia Muscolare (0,07 kw) Meccanica: a)cinetica; b)potenziale. Gravitazionale: attrazione newtoniana. Termica: è l energia cinetica caotica legata ai moti disordinati delle molecole del corpo. Chimica: prodotta da processi chimici. Elettrica: fornita dai generatori di corrente. Elettromagnetica, Elettrostatica, Raggiante, Eolica, Idraulica,.

3 Degradazione dell energia Primo principio della termodinamica: come si modifica l energia interna e di un sistema: de=δq+δl Secondo principio della termodinamica: concetto di entropia, la natura procede verso il massimo disordine. Scala di pregio delle forme di energia in funzione della loro tendenza spontanea a trasformarsi in altre forme: E.Potenziale E.Cinetica E.Termica

4 I propulsori Aerospaziali (ad energia chimica) Propulsore: il complesso degli organi che trasmette ad un veicolo la forza capace di farlo muovere: Propulsori ad elica (motoelica). La massa trattata è l aria esterna: l elica mossa da un motore si avvita nell aria. Propulsori a getto. La massa è prima captata ed una volta trattata è espulsa sotto forma di getto ad elevata velocità. Vengono distinti in: Aeroreattori (o esoreattori); Endoreattori (o propulsori a razzo).

5 Combustibili, Ossidanti e Propellenti Combustibile: sostanza che bruciata con ossigeno fornisce energia termica. Ossidante (o comburente): sostanza che fornisce l ossigeno per la combustione. Propellente: opportuna miscela di sostanze combustibili, comburenti, additivi, che produce una reazione con sviluppo di calore e grande quantità di gas combusti.

6 Combustibili per l aviazione Prevalentemente combustibili liquidi (il comburente è l aria) costituiti da miscele di idrocarburi (composti organici contenenti idrogeno e carbonio): benzine (motoelica); cheroseni (aeroreattori).

7 I Propellenti Spint a I sp = ( secondi) Peso propellenteconsumato / Tempo Liquidi: (criogenici) Ossidanti:l ossigeno, il fluoro, il perossido di idrogeno, l acido nitrico e il tetrossido d azoto. Combustibili: l idrogeno, l idrazina, l alcool etilico, l ammoniaca. Mono-propellenti: miscela unica Combustibile+Ossidante; Poli-propellenti: nel bi-propellente il Combustibile è stivato in un serbatoio distinto da quello dell Ossidante; a contatto si accendono spontaneamente (prop. Ipergolico) o con idoneo dispositivo (prop. Anergolico).

8 I Propellenti Solidi (anergolici) : sostanza unica già pronta per la combustione ottenuta dalla dosata combinazione di molecole di combustibile, ossidante, inibitori,

9 Rendimento E I : energia iniziale o inizialmente fornita; E U : energia utilizzata nel processo; E P : energia non sfruttata, detta impropriamente persa. E I (del propellente) E T (camera di combustione) E C (espansione ed accelerazione) E C (degradata) E E E E E η= = = = 1 E E + E E E U U I P P I U P I I P P P P P η= = = = 1 P P + P P P U U I P P I U P I I

10 La SPINTA Nota: Sia i Prop. ad elica che i Prop. a getto utilizzano il principio di azione e reazione. dm dm du F = ( dt) = dt = md dt a dt u dt T= mdu = m( U V) dl = T ds= T Vdt = TVdt = m(u V)Vdt E U P P = TV = m(u V)V U = m(u V) PP = m(u V) 2 2

11 Motore alternativo

12

13 1)Aspirazione 2)Compressione 3)Scoppio 4)Espansione 5)Scarico 6)Incrocio

14 Ciclo di un motore alternativo

15 Rendimento del motore alternativo Lavoro utile η g = = Lavoro fornito L L U f Lavoro utile Raffreddamento Gas di scarico Perdite meccaniche e varie Totale 22% 30% 38% 10% 100%

16 Grandezze caratteristiche del motore Potenza al Freno Coppia Motrice Consumo specifico C s = M = RF t F t =F b cos[90 (α+β)]= =F b sen(α+β) Peso Combustibile / Tempo P F

17 Curve Caratteristiche B Potenza E Coppia motrice M A Consumo specifico C s N. giri

18 Potenza con la quota h Ph ph T = P p T h 1,0 P h /P 0 0,8 0,6 0,4 0,2 h (km)

19 Potenza con la quota Ph ph T = P p T h Rimedi per la caduta di P z : Per ridurre la caduta di potenza con la quota occorre aumentare la pressione di alimentazione (sovralimentazione); questo può essere ottenuto con l introduzione forzata di miscela combustibile nei cilindri rispetto a quella che sarebbe possibile con la normale aspirazione. In particolare si impiega: - un compressore collegato mediante una presa di forza al motore (compressore meccanico); - un compressore collegato ad una turbina messa in rotazione dai gas scarico (turbocompressore). Il motore è detto: sovralimentato, quando la sovralimentazione ripristina la potenza solo in quota; surcompresso, quando la sovralimentazione aumenta la potenza anche al livello del mare.

20 Collegamento motore-elica V = ωr G = G E M D D M E Motore Elica

21 Rendimento Motoelica m m V Elica U U PU = m(u V)V = TV PP = m(u V) = T(U V) P 2V 2 η= U = = P + P 2V + (U V) 1+ U/V P

22 A) Per U=costante: a1) η>> per V>>; a2) η=1 per V=U; condizione teorica : T= (U V)=0. B) Per V=costante: b1) η>> per du=(u V)<< b2) T>> per du=(u V)>> m m b3) T>> per >> P 2V 2 P + P 2V + (U V) 1+ U/V U η= = = U P 1,0 η 0,6 0,4 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8V/U 1 Per avere buon rendimento η (che aumenta con du) e buona trazione T (che diminuisce con du ed aumenta con dm/dt), occorre dare piccole variazioni di velocità du=(u V) ad una consistente portata d aria dm/dt.

23 Potenza disponile Motore+Elica P D = ηp FMax

24 Potenza disponile Motore+Elica P D = ηp FMax

25 I propulsori Aerospaziali (ad energia chimica) Propulsori ad elica (motoelica). La massa trattata è l aria esterna: l elica mossa da un motore si avvita nell aria. Propulsori a getto. La massa è prima captata ed una volta trattata è espulsa sotto forma di getto ad elevata velocità. Vengono distinti in: Autoreattore &Pulsoreattore Aeroreattori (o esoreattori): Endoreattori (o propulsori a razzo) Turboreattore

26 Presa aerodinamica V Autoreattore Diffusore C. Combustione Ugello U Presa dinamica+diffusore: decelera l aria captata fino ad circa M=0,2 con aumento di pressione. Camera di combustione: la combustione riscalda (3.000 C) l aria captata che tende ad espandersi. Ugello: dove avviene una espansione per portare i gas combusti a velocità U>V. Per innescare il processo il mezzo deve possedere una velocità iniziale

27 Valvole Pulsoreattore Bocca di presa Candela Camera di combustione Ugello Iniettore Simile all Autoreattore per la presenza di: presa dinamica+diffusore, camera di combustione, ugello di scarico. Diverso dall Autoreattore per la presenza di valvole frontali che si aprono ad intermittenza Per innescare il processo NON occorre una velocità iniziale

28 Turboreattore (impiego aeronautico) Presa Camere di d aria Compressore combustione Turbina Ugello p 2 Q 2 3 Combustione Espansione in Turbina L T L C L C Compressione 3 Espansione nell ugello 1 Scarico Q 1 4 L D V

29 Turboreattore: Jumo del 1940

30 Rendimento del Turboreattore T = m A(U V) + m CU = (m A + m C)U m AV PU = TV = [(m A + m C)U m AV]V 1 2 P P = (m A + m C)(U V) 2 m A + m C m = 1 m A P muv V 2 2 U U P η= = P P m(u V ) 2V 1 U/V

31 A) Per U=costante: a1) η>> per V>>; a2) η=1 per V=U; condizione teorica : T= m (U V)=0. B) Per V=costante: b1) η>> per du=(u V)<< b2) T>> per du=(u V)>> b3) T>> per dm/dt >> 2 UV V V(U V) η 2 = 2 = (U + V ) 2V (U + V)(U V) 1+ U / V 1,0 η 0,6 0,4 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8V/U 1 Per avere buon rendimento η e sufficiente trazione T: Dare piccole variazioni di velocità (V U) ad una consistente portata d aria dm/dt. L aumento della portata è possibile: 1.Aumentando la sezione di captazione d aria; 2.Ponendo una ventola davanti al compressore che consente di aspirare una maggiore quantità d aria (turbofan).

32 Potenza Disponile Turboreattore Le caratteristiche dei motori a getto ed in particolare del turboreattore sono definite in termini di spinta T piuttosto che di potenza (al freno). Si definisce potenza disponibile : P D = T V D T D Livello del mare P D Livello del mare In quota In quota V V

33 TURBOELICA Presenta una turbina aggiuntiva che aziona un elica. Riduttore Turbina di alta pressione (per compressore) Elica (fan) Compressore Camere di combustione Turbina di bassa pressione (per azionare fan)

34 Il turboelica nato negli anni 50 ed accantonato per un certo tempo è tornato in voga negli ultimi anni per i vantaggi che presenta nelle brevi tratte sia dal punto di vista economico che operativo. Il ciclo termodinamico del turboelica è quello di Brayton dove l espansione 3 4 non avviene più nell ugello ma in una seconda turbina a bassa pressione che aziona l albero portaelica. Rispetto ai turboreattori presenta un maggior rendimento alle basse velocità ed alle basse quote il che compensa la maggiore complessità dovuta all elica. Rispetto ai motori a ciclo Otto presentano un maggior consumo specifico ma presentano i seguenti vantaggi: 1.maggiore compattezza e minor ingombro frontale; 2.miglior rapporto potenza/peso; 3.impiego di un combustibile meno infiammabile; 4.minore complessità costruttiva, in particolare nel sistema di accensione, che consente una maggiore facilità di manutenzione e maggiori intervalli del tempo di revisione.

35 Compressore centrifugo

36 Pratt & Whitney 6B (con compressore centrifugo)

37 Compressore Assiale

38 ENDOREATTORI Vantaggi Può funzionare nel vuoto assoluto. La spinta T= mu è costante. Svantaggi: Necessità di imbarcare tutto il propellente. Necessità di forti T, essendo montati su veicoli che non si sostengono per forza aerodinamica. Vengono distinti in: Endoreattori a Propellente liquido Endoreattori a Propellente solido

39 Endoreattori a propellente liquido

40 Endoreattori a propellente solido Inibitore Grafite Combustione a sigaretta Inibitore Grafite Propellente cavo Sistema di accensione

41 Forma iniziale Forma durante la combustione

42 Rendimento dell Endoreattore T= mu P = TV= muv = U 2 PP m(u V) /2 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 η P 2U / V η= U = P + P 1 + (U/V) U P 2 0,1 0 V/U 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

43 Rendimento dell Endoreattore L endoreattore può raggiungere rendimenti unitari fornendo i normali valori di spinta (che è indipendente dalla velocità di volo). Questo differenzia in maniera sostanziale l endoreattore dal motoelica, per il quale η=1 quando la trazione T= m (U V)=0 dall esoreattore, per il quale quando η=1 si ha una spinta T= m A(U V) + m CU alquanto modesta. Peraltro le elevate velocità di scarico, dell ordine dei m/s, rendono l endoreattore particolarmente appropriato per veicoli estremamente veloci.