STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UNA TURBINA COMPATTA E AFFIDABILE PER UN ELICOTTERO ULTRALEGGERO BASATO SU COMPONENTI COMMERCIALI

Transcript

1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Sede di Bologna TESI DI LAUREA In Laboratorio di CAD STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UNA TURBINA COMPATTA E AFFIDABILE PER UN ELICOTTERO ULTRALEGGERO BASATO SU COMPONENTI COMMERCIALI CANDIDATO Marco Costanzelli Anno Accademico 28 /9 II Sessione RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli

2 Scopo della trattazione e funzionamento del turbogas Assemblare una turbina a gas con componenti commerciali in grado di erogare una potenza di 147 kw (2 CV). I componenti sono stati scelti utilizzando il catalogo commerciale per sovralimentazioni automobilistiche Garrett disponibile in rete

3 Architettura utilizzata Per ottenere la maggior potenza possibile si è utilizzato un layout del turbogas con due turbine in serie: turbine di bassa e alta pressione Questa architettura consente di poter inserire un post bruciatore tra le due turbine in grado di aumentare ulteriormente la potenza in caso di necessità

4 Dai calcoli di progetto svolti si sono ottenuti risultati che hanno portato alla scelta di utilizzare, come compressore e turbina di alta pressione, i componenti GT5533R del catalogo Garrett. Per la turbina di bassa pressione i calcoli non hanno fornito risultati riscontrabili con le caratteristiche delle turbine presenti sul catalogo. Si propone quindi, come sviluppo futuro, la progettazione e la realizzazione di questo componente Diagramma caratteristico del compressore Diagramma caratteristico della turbina

5 1 2 Influenza della temperatura di ingresso in turbina sulla potenza ottenuta Nell utilizzo della turbomacchina, il principale parametro di controllo per regolarne il funzionamento è costituito dalla regolazione della quantità di combustibile introdotta in camera di combustione. Aumentando il combustibile introdotto, aumenta la temperatura in camera di combustione e quindi anche la temperatura di ingresso in turbina. Come si vede dalle curve riportate, ciò porta ad avere: Un miglioramento del rendimento termodinamico del ciclo Un aumento della potenza ottenibile Un aumento del consumo specifico Andamento delle curve di interesse calcolate con T=75 C T=9 C T=1 C Potenza Pot 75 Pot 9 Pot 1,16,14,12,1 Rendimento,25,2,15 Consumo Specifico 8 6 4,8,6,4 η 75 η 9,1,5 scf 75 scf 9 scf 1 2,2 Quota [m] Quota [m] Quota [m]

6 Potenza ottenibile in condizioni di progetto Temperatura 75 C 9 C 1 C Potenza 72 kw 11 kw 135 kw Consumi,96 kg/min 1,2 kg/min 1,44 kg/min Potenza ottenibile in condizioni di progetto con accensione del post bruciatore Temperatura 75 C 9 C 1 C Potenza 86 kw 13 kw 16 kw Consumi 1,2 kg/min 1,56 kg/min 1,81 kg/min Portando la temperatura di ingresso in turbina fino a 1 C e attivando il post bruciatore riesco a ottenere una potenza elevata in grado di rispondere alla richiesta di 147 kw dell utilizzatore. Basta quindi un solo turbogas per ottenere la potenza richiesta da progetto.

7 Aggiungendo uno scambiatore per recuperare calore dai gas di scarico all uscita della seconda turbina è possibile ridurre del 4 % i consumi. Come ulteriore vantaggio si può utilizzare il combustibile come lubrificante per i cuscinetti al fine di ottenere un preriscaldamento della miscela che favorisca la combustione. Infine, per aumentare la sicurezza a bordo in caso di incidente, il turbogas viene alimentato a gasolio.

8 Possibili applicazioni Dato l elevato rapporto potenza/peso e l esiguo numero di componenti il turbogas garantisce potenza, leggerezza e grande affidabilità; la facilità nel reperire il necessario sul mercato permette di sostituire velocemente i componenti in avaria. Queste caratteristiche rendono conveniente il suo utilizzo su gru volanti e su elicotteri ultraleggeri da turismo in sostituzione dei motori alternativi finora impiegati

9 Grazie per l attenzione