OTTIMIZZAZIONE DI UN RADIATORE AD EFFETTO MEREDITH PER UN MOTORE YAMAHA 1000 CONVERTITO AD USO AERONAUTICO

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA OTTIMIZZAZIONE DI UN RADIATORE AD EFFETTO MEREDITH PER UN MOTORE YAMAHA 1000 CONVERTITO AD USO AERONAUTICO Tesi di laurea di: Alberto Morini Relatore: Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli

2 Obiettivi della tesi: DIMENSIONARE UN SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO: EFFICIENTE COMPATTO OTTIMIZZATO PROPULSIVO

3 Il motore YAMAHA 1000 I sistemi impiegati nella propulsione ad elica per velivoli di piccola-media dimensione si dividono in motori endotermici e motori a turbina. - turbina: grandi potenze ma bassi rendimenti - motore Benzina: medie potenze e rendimenti medi I motori alternativi vengono utilizzati in campo aeronautico per la propulsione di ultraleggeri che necessitano di potenze non elevate. L ingegner Iorlano ha convertito il motore Benzina motociclistico in un motore aeronautico apportando le seguenti modifiche strutturali: -Modifiche alla trasmissione -Modifiche all albero motore -Modifiche al materiale del basamento del motore -Modifiche ai vincoli del motore

4 L effetto Meredith Nel 1935 Meredith pubblica il memorandum Note on the cooling of aircraft engines with special reference to ethylene glycol radiators enclosed in ducts. I punti salienti di tale scritto sono: - il radiatore, se mal progettato e mal posizionato, può arrivare a provocare il 10-15% delle perdite totali del velivolo. - il radiatore va inserito all interno di un condotto appositamente progettato: tratto 0-1: condotto divergente il flusso d aria rallenta e aumenta la pressione in 1 tratto 1-2: radiatore la cessione di calore al flusso d aria fredda ne provoca l accelerazione tratto 2 3: condotto convergente il flusso è ulteriormente accellerato - se si supera una certa velocità critica, la resistenza del condotto, invece di aumentare, diminuisce progressivamente, fino a trasformarsi in una spinta propulsiva (cioè V3 > V0).

5 Il Mustang P-51D Celebre per essere considerato il velivolo più veloce della Seconda Guerra Mondiale, deve le sue fortune a due importanti innovazioni tecnologiche: - ali a profilo laminare -radiatore ad effetto Meredith (capace di fornire 2000 N di spinta gratis alla velocità di crociera) Il condotto del radiatore era posizionato sotto il pilota e presenta tutte le caratteristiche volute da Meredith. Meredith sosteneva che l effetto utile della spinta generata diventasse apprezzabile solo dopo un certo valore di velocità critica (fissato a 480 kmh). La velocità di crociera obiettivo del tipo di aereo su cui andrà montato il yamaha 1000 è di 200 km/h DIMOSTRERO CHE GIA A QUESTA VELOCITA E POSSIBILE OTTENERE UN EFFETTO UTILE

6 Criteri per il dimensionamento del radiatore Solitamente un qualunque tipo di dimensionamento si effettua nelle condizioni peggiori possibili di funzionamento. Nel nostro caso la condizione peggiore si ha nei voli a bassa quota e al decollo d estate. ottengo un radiatore eccessivamente sovradimensionato rispetto alla condizione di crociera I libri di testo specializzati consigliano allora di dimensionare il radiatore in base alle condizioni di salita ripida. ancora una volta ottengo un radiatore troppo voluminoso Scegliamo allora di calcolare a quanto ammonta il calore da sottrarre nelle condizioni di crociera per poi aumentarlo del 20% (Spitfire, Lancaster ). le conseguenze di tale scelta sono: - probabile surriscaldamento condizioni di salita ripida: l effetto negativo è però eliminato dalla riduzione dell angolo di salita da parte del pilota. - limitazione dei movimenti a terra allo stretto necessario.

7 Il calore da sottrarre La potenza termica totale da dissipare è: W Questo Con questo valore calcolo le portate di fluido refrigerante e aria necessarie. PRIMO TENTATIVO: Radiatore ROTAX 912s Questa strada è stata subito abbandonata per la mancanza di dati sul pacco radiante in questione.

8 La tipologia di radiatore La scelta ricade sul modello tratto dal volume Compact Heat Exchanger; si tratta di uno scambiatore a correnti incrociate di cui sono note: - le dimensioni della singola cella del pacco radiante - una serie di prove sperimentali che ci consentono di conoscere il coefficiente di attrito f del flusso d aria fredda in funzione del numero di Re -Una serie di coefficienti indispensabili La formula impiegata per il dimensionamento è quella classica degli scambiatori di calore: Q = Stot U ΔTLM γ Sia U che Stot rappresentano delle incognite: pertanto ho deciso di fissare dapprima un valore di tentativo di U per poi calcolarne il valore reale una volta fissa Stot.

9 Il coefficiente di resistenza del radiatore Per arrivare ad ottenere il valore della spinta occorre trovare quanto il pacco radiante frena il flusso d aria che lo attraversa Devo calcolare il coefficiente di resistenza; conosco il valore nel caso di profilo isolato, ma devo considerare: della dell effetto variazione presenza comprimibilità schiera delle dell angolo alette e della di densità attacco dell aria mediamente trascurabile nullo (Hoerner, Fluid Dynamic Drag)

10 La sezione d ingresso Il primo passo è il calcolo della portata d aria necessaria per smaltire il calore; bisogna fissare il ΔT dell aria nel condotto. Imponiamo il salto termico: Tin=25 C; Tout=75 C. Così ottengo: m = Q / ( Cp ΔT ) = kg/s A questo punto per calcolare la sezione d ingresso devo conoscere la velocità di crociera del velivolo. Nel nostro caso il valore preso non è un valore reale ma di obiettivo: 200Km/h, questo valore è in linea con la potenza del motore e il tipo di aereo su cui sarà utilizzato. V = 200km/h = 55.6 m/s S = Q / ( ρ V Cp ΔT ) = m² Bisogna ora fissare la geometria della sezione di ingresso, la cosiddetta bocca di pescecane è la soluzione consigliata dal report NACA 115, tuttavia nel mio caso complicherebbe senza motivo la geometria del condotto decido quindi per un condotto a sezione rettangolare.

11 Soluzioni per il contenimento delle perdite in ingresso Il by-pass dello strato limite o boundary layer by-pass. Anche il profilo d ingresso o leading edge interviene sul flusso allo scopo di impedire la formazione di vortici di fronte alla sezione d ingresso. Le alette di guida all aspirazione o inlet guide vanes (tre verticali e uno orizzontale) hanno il duplice compito di limitare lafromazione dei vortici sopra citati e di guidare il flusso all interno del divergente. L aletta di guida allo scarico o outlet guide vane orizzontale ha invece il compito di guidare il flusso d aria in uscita dal radiatore. (gli effetti di tali soluzioni sono noti: i risultati sperimentali sono tratti dai report NACA 115 e 438)

12 Il condotto divergente Perdite nel divergente: PERDITE DISTRIBUITE + PERDITE CONCENTRATE dovute all attrito sulle pareti del condotto dovute alla variazione di sezione del condotto Il compromesso ottimale si raggiunge con una particolare geometria del condotto: LO STREAMLINE DIFFUSER Nello streamline diffuser il profilo del condotto (come indica il nome stesso) segue le linee di flusso della corrente d aria, guidandola nella maniera più efficiente possibile. La forma risulta simile a quella di una tromba. Perciò la scelta non può che ricadere sullo streamline diffuser. Quest ultimo guidando meglio il flusso attenua anche le perdite nel pacco radiante.

13 Calcolo del pressure drop nel radiatore Noto il coefficiente di resistenza del radiatore, si può calcolare la perdita di pressione che il flusso d aria incontra nel suo attraversamento: Utilizzo un metodo tratto dal volume Compact Heat Exchanger, perdite in ingresso perdite dovute all accelerazione dell aria perdite per attrito Questa analisi ha messo in luce come sia necessario un rapporto tra la sezione frontale del radiatore e la sezione d ingresso pari a: Arad/Afrontale=3.333

14 Dimensionamento del convergente Le perdite sia distribuite che concentrate nel convergente sono trascurabili. Mi concentro allora sull aumento di resistenza causato dal convergente nel radiatore. a / HB è meglio un convergente poco inclinato ma con molto spazio per l espansione dopo il radiatore. Il convergente del radiatore principale va poi dotato di un flap in grado di variare l area di uscita: così regolo il flusso nel condotto intero.

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16 DIVERGENTE RADIATORE CONVERGENTE Lunghezza divergente = 545 mm Dimensioni radiatore: 346 x 400 x 182 mm Coeff di resistenza radiatore = 4.42 Distanza convergente ( a ) = 91 mm Sezione ingresso: 54.6 x 400 mm Sezione uscita: 400 x mm

17 Conclusioni Ho trovato dopo vari cicli iterativi di calcolo le quote che meglio soddisfano le mie esigenze mantenendo le dimensioni contenute: COMPATTO Ho scelto come divergente uno streamline diffuser, capace di minimizzare le perdite nel divergente stesso e anche quelle prodotte sul pacco radiante (circa il 20% in meno rispetto a un divergente a pareti piane). Il dimensionamento del convergente è risultato meno problematico, ma si sono comunque seguiti i criteri di minimizzazione delle perdite: OTTIMIZZATO Infine si è proceduto al calcolo della spinta in condizioni di crociera: F = m (Varia Vcrociera) F = N Da questo valore va tolta la resistenza aerodinamica del pacco radiante calcolata in precedenza si ricava quindi una spinta effettiva di: 7.74 kg Una spinta di questo ordine equivale ad una potenza di 4-5 cavalli cioè otteniamo una spinta aggiuntiva gratuita pari al 3-4 % della potenza erogata dal motore stesso.