Studio ed ottimizzazione di un sistema di raffreddamento ad aria per un motore due tempi Diesel aeronautico basato sulla pubblicazione NACA-R-488

Transcript

1 Alma Mater Studiorum - Università di Bologna Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia Studio ed ottimizzazione di un sistema di raffreddamento ad aria per un motore due tempi Diesel aeronautico basato sulla pubblicazione NACA-R-488 Candidato: Stefano Zerbini Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana Prof. Ing. Alfredo Liverani Dott. Ing. Cristina Renzi

2 Obiettivo Verificare se sia possibile avvalersi del raffreddamento ad aria per un motore a densità di potenza relativamente bassa Linee guida progetto: Affidabile Assenza di manutenzione per tutta la vita prevista Di massa contenuta

3 Contesto d impiego L aviatore di ultraleggeri: non deve compilare piani di volo è responsabile della manutenzione del velivolo Fattore Umano Incidenti mortali 10 volte più frequenti di quelli automobilistici!

4 Specifiche Motore diesel sovralimentato Due tempi 1000 h a piena potenza senza manutenzione Potenza massima maggiore di 50 kw

5 Precedente Soluzione Raffreddamento ad acqua: Coefficiente di riempimento maggiore Minor carichi termici sugli organi che delimitano la camera di combustione Maggior silenziosità Meno affidabile Massa maggiore rispetto al raffreddamento ad aria più componenti presenti: Pompa dell acqua Radiatore Tubi-raccordi Necessità di manutenzione

6 Precedente Soluzione Cilindro: Testa: Intercapedine Realizzata Realizzato Coperchio lega liquido d alluminio G-AlSi 9 9 MgMn Mn Canna in ghisa di Comprende Canna raffreddamento in ghisa le sedi installata per: valvola mediante scarico,albero cofusione Sede iniettore a camme, iniettore,candeletta ed i condotti per il passaggio del Accoglie le intercapedini per il passaggio del liquido di liquido Testa di raffreddamento raffreddamento e le luci di lavaggio Coperchio testa Massa Massa: 6,5kg 1,49kg Sede albero a camme scarico Luci di lavaggio

7 Sistema di raffreddamento ad aria Vantaggi: Leggerezza minor numero di componenti Affidabilità Assenza di manutenzione temperature interne più elevate Svantaggi: carichi termici sugli organi che delimitano la camera di combustione maggiore rumorosità

8 Flussi di calore Calcolo Equazione del flusso del bilancio di calore termico: medio: Temperatura di fiamma~2000 C grandezze mediate sia nel tempo che localmente si ipotizza la quasi stazionarietà Q Q Q Q Q h u r g z 0 Q u Q h 1 c i i g i Q h S T T d c Q =calore medio trasmesso dai gas alle pareti Q r Si instaura un intenso flusso di calore tra i gas racchiusi nell unità e gli di organi tempo [W] che delimitano l area Q g in cui essi sono contenuti 2 h =coefficiente istantaneo di trasmissione del calore i Modello di W.J.D. Annand (1963) Q z kw mk

9 Flussi di calore a Potenza termica Re Ac da asportare 0, 75 Nu CRe m D T g ) T g(300k 0.35( Ta 300) 600K Q Nu A D c ( Tg Tr ) Q unitaria 19, 3kW Q 39kW

10 Metodo sperimentale NACA-R-488 Consente: Confrontare vantaggi relativi a diverse forme di alette Ottenere valori sperimentali di (q) Derivare un metodo di calcolo per la quantità di calore dissipato dai cilindri alettati Dimensionare le alette Tipi di alette w t s

11 Metodo sperimentale NACA-R-488 Raffreddamento di cilindri alettati Convezione di calore dalle alette da parte del flusso d aria Conduzione di calore attraverso le alette q Coefficiente di trasmissione del calore superficiale Btu in 2. h. F Corpi complessi Campo di velocità sulla superficie delle alette complicato Metodi sperimentali

12 Metodo sperimentale NACA-R-488 Effetto dell altezza dell aletta (w) w>0,40inch Effetto dello spessore (t) trascurabile Effetto dello spazio tra le alette (s) Variazione di (q) con la velocità del flusso d aria (q) costante q q s V

13 Metodo sperimentale NACA-R-488 Correzione per il diametro del cilindro: D x = diametro del cilindro oggetto di studio J D D x T D T = diametro dei cilindri testati dalla NACA (4,66inch) Dx tx wx sx D ; t ; w ; s ; V J V J J J J T T T T T x qt q x 1 J q T Coefficiente di trasmissione del calore superficiale

14 Metodo sperimentale NACA-R-488 Equazione flusso di calore: Calore trasmesso dalla superficie di una aletta dal flusso d aria Calore trasmesso alla superficie per conduzione attraverso l aletta Coefficiente q Dimensioni geometriche delle alette 2 q Dal materiale delle alette a m q x w Kt 1 x I Btu K = conducibilità termica del materiale 2 U 1 tanh a w x sx p a 2Rx Potenza dissipata per cilindro: Qcilindro Ucilindro Scilindro Tp Ta Calore dissipato per pollice quadro di parete di cilindro per grado di temperatura 2 in. h. F kw

15 Applicazione del metodo NACA-R-488 al caso in esame Schema Velocità di aereo: calcolo: 65 [km/h] processo iterativo imponendo Temperatura aria: 35 [ C] alette dimensionalmente predefinite Pressione atmosferica: [Pa] Dimensione aletta finale: Diametro cilindro: 0,0826 [m] Passo (p) Profondità (w) Spessore (t) Distanza tra le Unità di misura Temperatura di parete del cilindro: alette 170 (s=p-t) [ C] Forma delle alette rettangolare 0,15 O,97 0,04 0,11 inch Aereo in fase di decollo Motore alla max potenza 3,81 24,6 1,02 2,8 mm Potenza termica da dissipare per cilindro: 19,3 [kw] Dx 3,25 Coefficiente correttivo diametro: J 0,697 D 4,66 VT s q, T T dai diagrammi NACA T

16 Applicazione del metodo NACA-R-488 al caso in esame q x qt 0,041 0,059 2 J 0,697 Btu in. h. F q = 0,041 [Btu/in².h. F] Ricavando: a 2 q Kt cilindro testa S = 0,158 [inch] 1 2 I w w t 0,99 x x inch

17 Applicazione del metodo NACA-R-488 al caso in esame Si determina: U U cilindro testata 0, ,97 Btu Btu 1 0,62 0,11 1, ,15 0,621 3,25 in. h. F ft. h. F 0, ,97 Btu Btu 1 0,8 0,11 0, ,15 1,166 3,25 in. h. F ft. h. Btu kw Qcilindro Ucilindro Tp Ta ,5 2 2 ft. h. m Btu kw Qtestata Utestata Tp Ta ft. h. m F note le superfici alettate del cilindro e della testa

18 Applicazione del metodo NACA-R-488 al caso in esame 2 2 Scilindro mm 0,275 m 2 2 Stestata mm 0,191 m I Q Q S 116,50, kw cilindro cilindro cilindro I Q Q S 820,191 15,7 kw testata testata testata I risultati soddisfano le nostre esigenze

19 Applicazione del metodo NACA-R-488 al caso in esame Aletta di peso minimo: Potenza da dissipare Q Q = 19,3 kw Btu U 0,175 2 T in.. h F p T a imponiamo Tutti termini s = 0,11 noti inch tranne: w, essendo I w 0,994 tanh 1,166 0,934 3,25 x Si ottiene: I w x q 2 x w 1 x tanh I It U w a wx s x wx x0,82 inch p a 2Rx 2 Risolta per tentativi fornisce: I x w x w I x t 2

20 Applicazione del metodo NACA-R-488 al caso in esame Osservazioni: Aumentando l altezza w del 45% U (0,67 0,97 inch) cilindro Aumentando lo spazio tra le alette s (0,15 0,25) Dissipazione aumenta, UDel testata 22% Rimangono invariati q 1 Gradiente di temperatura raggiunto valore limite w > 0,40 [inch] q costante 2

21 Cilindro e Testa Cilindro soluzione precedente attuale adottata: 1,49 1,39 [kg] Lega d alluminio G-AlSi 9 MgMn Resistenza canna Intercapedine ghisa liquido installata mediante di raffreddamento + cofusione Leggerezza Canna Superficie in alette: [mm²] Superficie alettata: [mm²] ghisa Massa: 1,39 [kg] Dimensioni alette: Passo (p) Profondità (w) Spessore (t) Distanza tra le alette (s=pt) Unità di misura 0,15 O,97 0,04 0,11 inch 3,81 24,6 1,02 2,8 mm

22 Cilindro e Testa Testa soluzione - precedente attuale adottata: 6,5 3,4 [kg] Ghisa coperchio sede sferoidale iniettore GS 800 sede valvola sede Alta resistenza di nella zona scarico iniettore a diretto contatto con la fiamma Superficie alettata: [mm²] Massa: testa 3,4 [kg] Dimensioni alette: Passo (p) Profondità (w) Spessore (t) Distanza tra le alette (s=p-t) Unità di misura 0,15 O,97 0,04 0,11 inch scarico candeletta di avviamento 3,81 24,6 1,02 2,8 mm scarico

23 Cilindro e Testa Testa supporto albero a camme: gasolio lubrificante Lega di alluminio G-AlSi 9 MgMn Massa totale: 4,1 [kg] Massa: 0,65 [kg] iniettore candeletta sonda di temperatura valvola di decompressione

24 Visione d assieme (precedente (vista frontale) soluzione)

25 Visione d assieme (vista posteriore)

26 Visione d assieme (vista laterale)

27 Conclusioni La soluzione adottata, del raffreddamento ad aria, soddisfa pienamente le prerogative della progettazione aeronautica per ultraleggeri, quali: leggerezza affidabilità/sicurezza mancanza di manutenzione Massa complessivamente risparmiata: 8,8 [kg] Dimensioni motore: Dimensioni caratteristiche mm Larghezza 830 Profondità 560 Altezza 420

28 Conclusioni Componente Raffreddamento ad acqua Raffreddamento ad aria 2 Teste 13 kg 8,2 kg 2 Cilindri 3 kg 2,8 kg Radiatore 3,2 kg Ø Pompa dell acqua 0,3 kg Ø Tubi e raccordi vari 0,3 kg Ø Totale 19,8 kg 11 kg Risparmio - 8,8 kg