Propulsione Aerospaziale Prova Scritta del 26 Giugno 2002

Transcript

1 + IH O 0 + Propulsione Aerospaziale Prova Scritta del 26 Giugno 2002 Esercizio n. 1 Un turbofan a flussi separati ha le seguenti caratteristiche assegnate: Quota di volo ; Mach di volo ; Rapporto di compressione del compressore: Rapporto di compressione del fan: ; Rapporto di bypass! " ; (' Temperatura massima in turbina #%$& ; -/ Potere calorifico del combustibile )*,+ ; Considerando l ugello del fan semplicemente convergente e l ugello principale adattato, calcolare ciclo e prestazioni. Per i calcoli si assuma come fluido evolvente l aria e che i calori specifici.0 '!02143 siano costanti per tutto il ciclo (56 7 +, 8:9; 7 ) e si introducano opportunamente i rendimenti dei singoli componenti. Esercizio n. 2 Calcolare la massa di propellente necessaria per l inserimento in orbita geostazionaria di un satellite 143 il cui carico utile ha una massa pari a. La massa complessiva del satellite comprende anche una massa di <143 che non può essere attribuita né al carico utile né al propellente. La variazione =02> di velocità necessaria all inserimento in orbita è pari a e il propulsore è un endoreattore a propellente liquido (?*@BA$ "C ), ed ha le seguenti caratteristiche: (' #%D "E E (Temperatura in camera di combustione) NM N 5F G 2+ JLK 5QP 5SRTVU/WYXZ WL[ Z \ \^]`_ a cb \<143d0214 ;e f d (peso molecolare medio dei prodotti di combustione) hg 0 gji \ k E (rapporto tra la pressione in camera di combustione e la pressione nella sezione di efflusso) ml. '*ojpq143ojp En+ (costante universale dei gas ideali) mr s \ \ẗ> (costante di accelerazione gravitazionale terrestre) ; 1

2 Domande 1. Perché il rendimento propulsivo di un motore ad elica è, a parità di spinta e velocità di volo, superiore a quello di un turbogetto? 2. Da cosa è limitato il valore massimo del rapporto di bypass (* ) che si può realizzare in un turbofan per un valore assegnato del rapporto di compressione del fan ( )? Perché aumenta al diminuire di? 3. Il rendimento termico di un turbogetto semplice cambia a causa della presenza del postcombustore? Perché? 4. In un turboelica la ripartizione ottima della potenza utile tra elica e getto varia al variare della velocità di volo. Al crescere di la frazione di potenza utile destinata all elica (in caso di ripartizione ottima) aumenta o diminuisce? Perché? 2

3 5. Cosa si intende per rapporto di equivalenza? 6. Quali sono i vantaggi di una presa dinamica supersonica ad urti obliqui? 7. Cosa si intende per macchina motrice? e cosa per macchina operatrice? 8. Perché la potenza di un motore a pistoni diminuisce con la quota? 3

4 9. Si consideri di voler cambiare l inclinazione rispetto al piano equatoriale dell orbita circolare percorsa da un satellite artificiale. A parità di angolo di inclinazione, tale manovra è più costosa se l orbita è bassa (E ) o se l orbita è alta (p.es. <1d <14 )? Quali dei seguenti parametri di prestazione di un endoreattore,,,, e 8, dipendono dalla temperatura in camera di combustione? 11. Come è definita la velocità di combustione in un endoreattore a propellente solido? 12. Cosa si intende per propellenti ipergolici, propellenti immagazzinabili e propellenti criogenici? 4

5 Risultati esercizio 1 I risultati possono essere diversi a seconda dei rendimenti scelti e della scelta di un unica turbina o di due turbine, una per il compressore e l altra per il fan. In entrambi i casi (una o due turbine) una scelta dei rendimenti corretta è: Ta= K pa= kpa cp= J/K/kg gam= 1.40 T4= K betf= 1.50 betc= bpr= 5.00 qf= kj/kg etad= 0.97 etaf= 0.85 etac= 0.85 etamc= 1.00 etab= 1.00 etapb= 1.00 etat= 0.90 etamt= 1.00 etan= 0.98 Mach= 0.85 Nel caso di una turbina: Punti del ciclo a ) K kpa 2 ) K kpa 2 ) K kpa 21 ) K kpa 21 ) K kpa 3 ) K kpa 3 ) K kpa 4 ) K kpa 5 ) K kpa 5 ) K kpa 6 ) K kpa 7 ) K kpa 8 ) K kpa 8 ) K kpa 9 ) K kpa 9 ) K kpa 5

6 18 ) K kpa 18 ) K kpa Velocita di efflusso (m/s) u8) m/s u9) m/s ueq1) m/s u18) m/s ueq2) m/s Prestazioni V ) m/s f ) alp) ia ) N s/kg sfc) (kg/h)/n etap) etao) etath) Nel caso di due turbine: Punti del ciclo a ) K kpa 2 ) K kpa 2 ) K kpa 21 ) K kpa 21 ) K kpa 3 ) K kpa 3 ) K kpa 4 ) K kpa 41 ) K kpa 41 ) K kpa 5 ) K kpa 5 ) K kpa 6 ) K kpa 7 ) K kpa 8 ) K kpa 8 ) K kpa 9 ) K kpa 9 ) K kpa 18 ) K kpa 18 ) K kpa 6

7 k k E Velocita di efflusso (m/s) u8) m/s u9) m/s ueq1) m/s u18) m/s ueq2) m/s Prestazioni V ) m/s f ) alp) ia ) N s/kg sfc) (kg/h)/n etap) etao) etath) Risultati esercizio 2 Per calcolare la massa di propellente è necessario calcolare l impulso specifico o la velocità di efflusso equivalente, e poi applicare l equazione di Tsiolkowski. Risultati: =02> 8 + i 0,E > 9 "E E i \< =02> "E 1d3 9 G 7