Ciclo di Turbofan a Flussi Associati

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1 Lezione 5 1 Ciclo di Turbofan a Flussi Associati Abbiamo visto Turbofan a flussi separati. Dal punto di vista delle prestazioni conviene miscelare i due getti prima dell espansione. Bisogna tener conto però (nel caso di elevati rapporti di bypass) del peso aggiuntivo. Per questo molti motori ad alto rapporto di bypass per aerei commerciali hanno turbofan a flussi separati. Nota: c è un vincolo aggiuntivo nel caso di turbofan a flussi associati: non possono essere scelti entrambi arbitrariamente. e

2 Lezione 5 2 Ciclo di Turbofan a Flussi Associati T m a1 m a2 4 4 m a1 +m a2 3 3 Flussi associati: bassi e alti u e 2 2c p In figura ciclo a punto fisso a 2 s

3 Lezione 5 3 Bilancio in Camera di Miscelazione La pressione all uscita dal fan e quella all uscita dalla turbina possono essere considerate uguali: Ciò è valido se si considerano trascurabili le velocità del gas per entrambi i flussi ( ) ed implica che determina per assegnati, e. Supponendo per semplicità unica turbina per compressore e fan, ovunque e : uguali e quindi per assegnati, e si ha ;

4 Lezione 5 4 Bilancio in Camera di Miscelazione Mettendo insieme le due relazioni e quindi Se si assegna perché siano soddisfatte le equazioni il valore di può essere assegnato arbitrariamente, ma deve essere calcolato. non Viceversa, se si assegna perché siano soddisfatte le equazioni il valore di non può essere assegnato arbitrariamente, ma deve essere calcolato. Le condizioni a valle del mescolamento dei due flussi sono note essendo ricavare : e, non essendoci scambio di calore né energia nel miscelatore, si può Il calcolo del ciclo segue come per flussi separati tranne che ci sarà un unico flusso nell ugello di portata condizioni in ingresso come in 6 e condizioni in uscita indicate con 9. Nel caso di :

5 Lezione 5 Camera di Miscelazione u e Confronto flussi miscelati/separati a parità di evoluzione a monte della camera di miscelazione (stesse condizioni in 5 e 13 e stesso BPR) u 19 u 9 u 19 (punto fisso, ugelli adattati)

6 Lezione 5 Prestazioni 6 Conviene miscelare sempre (abbiamo visto ) ma si vede che il maggior beneficio si ha per sempre più bassi al crescere di. Si ha quindi in ogni caso un piccolo ma importante vantaggio in termini di efficienza. Altro importante vantaggio è la riduzione del rumore TSFC/TSFC 0. %& ' ( %& ' - $ 3.5!#" 3.0 β f M M 0.00 ugello adattato 1.5 )+*, BPR

7 Lezione 5 7 Prestazioni Rendimento termodinamico Rendimento propulsivo Rendimento globale Spinta specifica Consumo specifico

8 Lezione 5 8 Scelta del BPR In linea di massima due classi di applicazioni: Veicoli commerciali (volo subsonico): interessano bassi consumi elevati BPR. Sia flussi associati sia flussi separati, i primi più vantaggiosi per prestazioni assolute e rumore, i secondi più leggeri. Veicoli militari (caccia, volo supersonico): bassi BPR ed elevati rapporti di compressione del fan (p.es. ). In genere flussi associati poiché essendo bassi BPR l aumento di peso e relativo, inoltre a valle c è postcombustore.

9 Lezione 5 9 Metodi per Aumentare Temporaneamente la Spinta Aumentare Aumentare Aumentare e Metodi che prevedono iniezione di liquido (cenni) Iniezione di liquido nel compressore: aumenta la massa trattata (e anche il lavoro del compressore) Iniezione di liquido nel combustore: aumenta la portata trattata, più combustibile (la combustione deve scaldare anche il liquido) Postcombustione (in seguito) Turbofan (già studiato)

10 Lezione 5 10 Metodi per Aumentare Temporaneamente la Spinta Confronto tra costi e benefici dei diversi metodi Turbogetto Semplice in compr. in comb. Post-Comb. Doppio Flusso Spinta Relativa TSFC Relativo Nota: turbofan non solo temporaneo.

11 Lezione 5 11 Turbogetto con Postcombustore B 5=6 7 B a 1 D C T N 9

12 Lezione 5 12 Turbogetto con Postcombustore Si sfrutta l eccesso di ossigeno presente nei turbogetti e a maggior ragione nei turbofan a valle del miscelatore. I gas scaricati dalla turbina (o a valle del miscelatore) vengono rallentati in un diffusore prima di essere mescolati con altro combustibile e bruciati nel postcombustore. Lo scopo è aumentare il salto entalpico a disposizione nell ugello. Anche la post-combustione può essere approssimata come un processo non adiabatico a pressione circa costante.

13 Lezione 5 13 Ciclo Termodinamico Turbogetto semplice con postcombustore T 7 7 (no turbina dopo p.c.) 4 4 u e 2 2c p In figura ciclo a punto fisso a 2 s

14 e quindi si può confrontare la velo- Lezione 5 14 Calcolo del ciclo A.) Calcolo della velocità di efflusso: supponendo si ha che cità ottenuta espandendo da 6 con quella ottenuta espandendo da 7 fino alla pressione ambiente: e quindi:

15 Lezione 5 15 Calcolo del ciclo B.) Calcolo del rapporto di miscela aria combustibile: Bilancio entalpico nel postcombustore (turbogetto singolo flusso): Si introduce

16 Lezione 5 16 Prestazioni Rendimento di ciclo ideale con postcombustore. Q e1 Q e2 2 Si vede facilmente che il rendimento è più basso. Infatti: 1 Q u1 Q u2 poiché con Aumento della velocità di uscita dell ordine del 50%

17 Lezione 5 17 Potenze e Rendimenti Rendimento termodinamico Rendimento propulsivo Rendimento globale Spinta specifica Consumo specifico