IMPIANTO COMBUSTIBILE

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1 Scopo IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI IMPIANTO COMBUSTIBILE Trasporto della quantità di combustibile necessaria per la missione (compresa una riserva di sicurezza) Invio del combustibile ai motori nella quantità e con la pressione richiesta dal motore Trasferimento combustibile tra i serbatoi per centraggio Motori utilizzati Motori alternativi In campo aeronautico Motori alternativi Motori alternativi ad iniezione Turboreattori In campo spaziale Endoreattori (motori a razzo) Propulsori speciali Miscela benzina-aria formata nel carburatore Il carburante è portato in una vaschetta dove viene mantenuto un livello costante tramite un galleggiante che chiude l ingresso L aria aspirata dai cilindri passa in un tubo di Venturi dove l incremento di velocità crea una depressione. Un collegamento attraverso un orifizio calibrato aspira il carburante dalla vaschetta Il carburante evapora e si miscela con l aria La portata di aria viene controllata attraverso una valvola (normalmente a farfalla), mentre la percentuale di carburante resta pressoché costante. Motori a iniezione Motore a getto La portata d aria viene regolata con un valvola (normalmente a farfalla) Il carburante viene portato ad alta pressione e iniettato in quantità calibrata nel condotto di aspirazione subito a monte della camera di combustione La regolazione della quantità di combustibile iniettata è governata da un sistema elettronico che controlla anche l accensione e il suo anticipo. 1

2 Controllo motore Controllo motore Controllo motore Consu mi motori alternativi Carburante: benzina Consumo specifico => ~ kg/kw/h Densità => 735 kg/m 3 es.: Piper AZTEC 2 motori da 250 CV = 190 kw Portata 100 lt/h = m 3 /s Velocità nei tubi 1 m/s => sezione m 2 = 27 mm 2 => D = 6 mm Autonomia 1600 km a 320 km/h => 5 h Carburante necessario 1000 lt => 735 kg Consu mi turboelica Consu mi turbogetto Carburante: kerosene Consumo specifico 230 g/cvh Densità 750 kg/m 3 Carburante: kerosene Consumo specifico kg/kn s Densità 780 kg/m 3 es.: Loockeed Hercules C motori da 5000 CV Autonomia 4500 nm a 340 mph => 13 h => kg => 80 m 3 Portata a 1 motore 1150 kg/h = 1.5 m 3 /h = m 3 /s Velocità nei tubi 1 m/s => sezione m 2 = 400 mm 2 => D = 22 mm es.: Boeing motori da 280 kn Portata singolo motore = 22 m 3 /h = m 3 /s Velocità nei tubi 1 m/s => sezione m 2 => D = 88mm 2

3 Richieste dei motori Specifiche impianto co mbustibile Richiesta di portata carburante = funzione del regime di funzionamento Motori alternativi a iniezione, turboelica e turboreattori dotati di pompa che ne governa il funzionamento Pompa deve garantire che il carburante arrivi al motore nelle corrette condizioni di pressione e temperatura in tutto l intervallo di portata Volume di combustibile da imbarcare Portate minima e massima Campo di pressioni ammesse all ingresso motore Co mponenti impianto % Combustibile rispetto MTOW Serbatoi Sistema di rifornimento e svuotamento Pompe Tubi Valvole Filtri di misura VELIVOLO Airbus380 Airbus319 ATR72 Dassault Falcon 2000 Lockheed Martin F-16 Agusta-Westland EH101 Eurocopter EC135 MTOW [kg] M Comb. [kg] % / Problemi legati al trasporto Collocazione dei serbatoi Quantità di combustibile necessaria molto elevata, grossa percentuale del peso a pieno carico del velivolo Limitare spostamenti CG durante consumo Soluzione preferita: serbatoi alari prossimità della posizione longitudinale del baricentro volume se disponibile non altrimenti utilizzabile diminuzione del carico strutturale sull ala Collocazione in fusoliera quando spessore ala insufficiente o quando si desidera diminuire il momento d inerzia a rollio. 3

4 Layout tipico serbatoi Tipi di serbatoi Rigidi Collocati ove esistano vani idonei o all esterno del velivolo Flessibili Sacche alloggiate e opportunamente contenute e vincolate entro vani appositi Integrati Parte della struttura, peso contenuto, necessità di renderli stagni Serbatoi rigidi Serbatoi rigidi Serbatoi di estremità alare Serbatoi subalari A volte da montare solo per voli di trasferimento Serbatoi per piccoli velivoli o elicotteri Serbatoi flessibili Serbatoi integrali alari Vantaggi: Utilizzo di volume già disponibile Baricentro serbatoi vicino baricentro velivolo Riduzione carico alare Svantaggi: Aumento del momento d inerzia di rollio Scarso volume disponibile nei supersonici Ampia superficie esposta ai proiettili (militari) 4

5 Serbatoio alari integrati Serbatoi alari es. quadrimotore Centine forate per il passaggio del liquido Funzionano da pareti anti-onda (necessarie in tutti i serbatoi di ampie dimensioni) Serbatoi alari es. trimotore Pulizia e filtraggio Introduzione di valvole di drenaggio nei serbatoi e vari filtri lungo le linee per: 1. Acqua (formazione di ghiaccio) 2. Ossido e altre impurità (malfunzionamento pompe e iniettori) 3. Micro-organismi (modifica delle caratteristiche del combustibile, corrosione) Struttura del sistema di serbatoi Struttura del sistema di serbatoi Configurazione più comune: 1. serbatoi per ognuno dei motori con linee di alimentazione separate nelle condizioni normali di funzionamento 2. per ogni motore un serbatoio principale ed un secondario, talvolta serbatoi ausiliari 3. In condizioni normali, combustibile travasato da serbatoi secondari al principale 4. In condizioni emergenza, alimentazione motore direttamente da serbatoio secondario (eventualmente con prestazioni minori) 5. Serbatoi ausiliari sempre usati per travaso nei principali o secondari 5

6 Riempimento dei serbatoi Rifornimento a terra Durante riempimento: espulsione aria o vapori contenuti nel serbatoio attraverso valvole di sfiato Riempimento incompleto per lasciare un certo margine per espansioni termiche A riempimento ultimato, chiusura linee di sfogo dell aria e eventuale leggera pressurizzazione per favorire l alimentazione delle pompe e diminuire la tendenza ad evaporare del combustibile Carico da esterno (autobotte o linee a terra) in pressione (~0.35 MPa) attraverso un ingresso centralizzato e una rete di distribuzione Pannello di controllo per la quantità totale e la ripartizione ai vari serbatoi Misure nell impianto Misure di pressione In un impianto combustibile occorre misurare: Pressione all uscita delle pompe fornisce indicazioni sul corretto funzionamento dell alimentazione dei motori Portate sulle linee di alimentazione Fornisce indicazioni sul corretto funzionamento dei motori Quantità di combustibile disponibile. Misure di portata Misure di quantità Misura di massa combustibile disponibile per valutare l autonomia residua Integrazione portata ai motori altamente sconsigliata per accumulo errori e non misura eventuali perdite dai serbatoi 6

7 Misure di quantità Misure di quantità La misura di massa attraverso misura del volume di combustibile nei serbatoi, con una correzione per gli effetti della temperatura Misura di volume rilevata attraverso misure di livello Data la forma dei serbatoi, necessario un certo numero di sonde per poter sempre eseguire misura Tipologie di sonde: Galleggianti con potenziometro Capacitive A ultrasuoni Salvo casi semplici, necessario l impiego di calcolatori per elaborare l indicazione delle sonde Collocazione sonde Sonde meccaniche Sonde ad ultrasuoni Sonde capacitive (conc. Autoflug Gmb H) (conc. Autoflug Gmb H) 7

8 Linea di alimentazione motore Alimentazione Pompe interne motori, sia alternativi ad iniezione che a turbina, per regolazione p e Q carburante in camera di combustione p ingresso motore mantenuta nell interno di un valore minimo ed un valore massimo, in tutto l intervallo di Q Garantita una p minima del combustibile, in un intervallo ampio di portate: Per gravità: Serbatoi collocati più in alto rispetto ai motori (piccoli velivoli con motori a pistoni e ala alta) A pressione: Utilizzo di pompe fluidodinamiche a palette o centrifughe Scelta della pompa di alimentazione Curva caratteristica Q determinata da richiesta del motore, variabile a seconda del regime Pompa di alimentazione deve adattarsi alla Q richiesta: pompe fluidodinamiche (normalmente centrifughe) Curve caratteristiche di pompe centrifughe Po mpe fluidodinamiche Incrementi di p funzione della Q p diminuisce al crescere di Q nel ramo utile della curva Curva varia al variare di n pompa Al variare del punto di funzionamento (sia come numero di giri che come portata) varia il rendimento della pompa Usate per inviare combustibile: Da un serbatoio di raccolta al propulsore Da un serbatoio all altro per operazioni di centraggio o avarie Da diversi punti del serbatoio al serbatoio di raccolta 8

9 Po mpe fluidodinamiche Scelta della pompa Almeno una pompa per motore Disponibilità di pompe di emergenza o alimentazione incrociata, con by-pass dei sistemi in avaria Pompe azionate dai motori stessi (pistoni) o da motori elettrici (turbina) Verifica: in tutto il campo di Q richieste dal motore, la p all ingresso motore deve essere nel campo min/max prescritto Curve sperimentali caratteristiche fornite dal produttore Perdite di carico nella linea fra pompa e motore Normalmente pompa immersa nel serbatoio Accoppiamento pompa linea di alimentazione Scelta della pompa p/pmax Pressione al motore P ompa P erdite p curva caratteristica - perdite di carico = p ingresso motore occorre verificare che per tutti i valori di portata richiesti la pressione sia compresa fra il min e max prescritti Q/Qmax Pressione al motore Diagramma di alimentazione p/pmax Pompa Perdite Pres sione al motore Q/Qmax 9

10 Cross feed Linea di travaso In caso di plurimotori: ogni motore alimentato dai suoi serbatoi, ma con possibilità di crossfeed (alimentazione incrociata) In caso di avaria (di motore o di serbatoio) deve essere possibile alimentare qualsiasi motore partendo da qualsiasi serbatoio Punto di funzionamento pompa determinato da equilibrio fra potenza fornita dalla pompa e assorbita dall impianto: intersezione fra le due curve caratteristiche Portata multipla (doppia): conveniente dividere i flussi il più a monte possibile, valvole di crossfeed in prossimità dei serbatoi Travaso Svuotamento serbatoi p/pmax Punto funzionamento Pom pa Perdite A terra per ispezione e manutenzione impianto In volo per atterraggio di emergenza: 1. Riduzione rischio di incendio durante atterraggio d emergenza 2. MLW < MTOW Q/Qmax Esempio: B 747 Impianto a gravità 10

11 Impianto a gravità con pompa per alte portate Esempio di diverse condizioni di funzionamento 1 - Rifornimento Esempio di diverse condizioni di funzionamento 2 - Alimentazione Esempio di diverse condizioni di funzionamento 3 - Travaso Esempio di diverse condizioni di funzionamento 4 - Espulsione 11