Capitolo 6 Impianto Pneumatico - 6.1 -
6.1 Introduzione In diversi casi è conveniente sfruttare energia proveniente da aria compressa; questo è soprattutto vero quando il velivolo possiede dei motori a turbina ed è quindi possibile disporre di aria prelevata dal compressore. Questa si trova a valori di pressione e di temperatura elevati e può quindi essere impiegata sia per pressurizzare che per riscaldare. Le utilizzazioni più comuni dell'aria compressa così ottenuta sono nei seguenti impianti: condizionamento e pressurizzazione; antighiaccio; sbrinamento; pressurizzazione serbatoi olio, combustibile ed acqua; ventilazione serbatoi combustibile; gonfiaggio guarnizioni di tenuta dei portelloni o tettucci apribili; avviamento motori; funzionamento di attuatori (in alcune condizioni). Dell impianto di condizionamento e pressurizzazione e di quello antighiaccio si parlerà in capitoli a parte. 6.2 Generazione La generazione di aria compressa può avvenire attraverso due tipi di compressori: compressori volumetrici; turbocompressori. Compressori volumetrici I compressori volumetrici comprimono una massa d aria riducendone il volume, tipicamente con un sistema a cilindro e pistone; la portata sarà legata alla velocità di funzionamento, ma il rapporto di compressione quasi indipendente da essa. Questi apparecchi vengono fatti funzionare da motori a scoppio, o elettrici, o idraulici. Turbocompressori I turbocompressori possono comprimere l aria accelerandola radialmente (turbocompressori centrifughi) oppure assialmente (turbocompressori assiali), recuperando in seguito pressione rallentandola. Il rapporto di compressione dipende dalla velocità di funzionamento. Questi apparecchi vengono fatti funzionare da una turbina. A bordo di velivoli a turbomotore, si usa quasi nella totalità dei casi spillare aria direttamente dal compressore del propulsore, in genere a due diversi stadi, attorno all ottavo e attorno al quindicesimo, disponendo così di uno spillamento a bassa pressione ed uno ad alta pressione (fig. 6.1). Non è infatti consigliabile prelevare tutta l aria da un unico punto del compressore, a meno di non ricorrere a forti variazioni della sezione. Inoltre, sempre per non ridurre troppo la potenza del propulsore, lo spillamento a bassa pressione è in genere sempre aperto, mentre quello ad alta pressione viene aperto in caso di necessità, ovvero quando il motore è al minimo e comunque non durante le richieste di massima spinta. - 6.2 -
Si osservi che con questa tecnica si spilla dal compressore una percentuale piccola di portata, tra il 2 e l 8%, ottenendo però una quantità notevole di energia pneumatica. La percentuale di spillamento è molto superiore nell APU, dove si arriva al 70-80%, ma ottenendo all incirca la stessa potenza pneumatica, data la bassa potenza dell APU rispetto a quella di un propulsore. In tal modo vengono fatte funzionare le varie utenze pneumatiche a terra (in particolare l impianto di condizionamento); inoltre si ottiene l aria compressa necessaria all avviamento dei propulsori, se questi non dispongono di avviamento elettrico. Quando il velivolo è parcheggiato, è prevista spesso una connessione per l alimentazione dell impianto da parte di una macchina a terra. Fig. 6.1 Spillamento d aria dal compressore 6.3 Regolazione Come per l impianto idraulico, è desiderabile per il dimensionamento delle utenze che l alimentazione sia fornita a pressione (e temperatura) costante al variare della portata. Le condizioni dell aria spillata da un moderno turbofan possono variare in pressione da 0.2 a oltre 1MPa ed in temperatura da 180 a oltre 350 C, a seconda dell altitudine di volo e dal regime del motore. Dato che in genere questa aria si trova a temperature superiori a quelle necessarie, ponendo anche problemi per una canalizzazione sicura nelle aree in cui deve essere inviata, essa viene anzitutto raffreddata attraverso uno scambiatore di calore a valori attorno ai 175 C. Di solito si usano scambiatori aria-aria, con portata dell aria esterna regolata da una valvola di modo da controllare la temperatura. Spesso il flusso del refrigerante è ottenuto per azione dinamica, e quindi è efficace solo in volo; nel caso di turbofan, ormai molto frequente sui velivoli da trasporto, si sfrutta aria generata dalla ventola del propulsore, ottenendo una buona refrigerazione anche quando il velivolo è a terra (si osservi sempre la fig. 6.1). Successivamente una valvola regolatrice porta la pressione ad un valore costante, comunemente attorno agli 0.3 MPa. Sempre analogamente all impianto idraulico, l impianto pneumatico viene realizzato in circuiti separati; nel caso di velivolo plurimotore, ogni motore alimenta un circuito, oppure un motore viene lasciato a disposizione per qualsiasi circuito che richieda un supplemento di alimenta- - 6.3 -
zione. Sono tuttavia previste delle valvole di alimentazione incrociata, nel caso di guasto di un gruppo di generazione, per l azionamento delle utenze più importanti (antighiaccio). A parte le ovvie valvole di sovrapressione, sono presenti delle valvole di non ritorno tra lo spillamento a bassa pressione e quello ad alta pressione, per evitare che, in caso di scarsa richiesta dalle utenze e di erronea apertura della valvola dello spillamento di alta pressione, si instauri un flusso che porterebbe ad irregolarità di funzionamento del compressore. 6.4 Utenze La principale utenza dell impianto pneumatico in termini di portata è sicuramente l impianto di condizionamento e pressurizzazione, che verrà trattato in un capitolo a parte. L antighiaccio, cui pure sarà dedicato quasi un intero capitolo, viene utilizzato sporadicamente e con portate abbastanza basse. Lo sbrinamento, la ventilazione e pressurizzazione serbatoi e il gonfiaggio di guarnizioni dei portelli sono utenze di scarso consumo. L avviamento dei propulsori di un velivolo parcheggiato a terra viene ottenuto con una scarica di aria compressa sulla turbina del propulsore stesso, spillata dall APU. In alcuni casi il velivolo è dotato di turbine azionate dall aria compressa dell impianto pneumatico in certe condizioni di emergenza. Le turbine sono un dispositivo in grado di convertire potenza pneumatica in meccanica, attraverso l espressione: dove: m& c ( T T ) η = C ω P i u &m = portata d aria in massa; c p = calore specifico a pressione costante dell aria; T i, T u = temperature all ingresso ed all uscita della turbina; η = rendimento; C = coppia all asse turbina; ω = velocità di rotazione. Si può considerare un ulteriore legame tra le temperature di ingresso e uscita turbina, se l espansione avviene tra valori noti di pressione (in genere la pressione all ingresso turbina p i è quella dell impianto, mentre all uscita si ha pressione atmosferica p u ): T T u i p = p u i k 1 k essendo k il rapporto tra i calori specifici c p /c v. Qui però le temperature vanno intese come ideali o isoentropiche, legate alle precedenti dalla definizione stessa di efficienza di una turbina: Tin Tout η t = T T in out - 6.4 -
Per il dimensionamento della turbina di avviamento si deve considerare il tempo di avviamento, il momento di inerzia equivalente delle parti rotanti e le coppie resistenti, tenendo presente che in questa fase i generatori elettrici saranno scaricati e le pompe idrauliche non in funzione. Come detto in precedenza, gli attuatori lineari di tipo pneumatico sono raramente impiegati a bordo; i loro vantaggi, rispetto ad attuatori idraulici, sono una minore robustezza necessaria, l assenza di una linea di ritorno e la scarsa importanza del problema di tenuta; tuttavia, a causa dell elevata comprimibilità dell aria, presentano il grosso svantaggio dell imprecisione nel controllo di posizione dell attuatore. Inoltre gli attuatori pneumatici sono più ingombranti e pesanti di quelli idraulici, a causa delle minori pressioni di esercizio disponibili. Uno dei rari impieghi sopravvissuti è nell attuazione degli inversori di spinta, dove l uso di un sistema oleodinamico è più difficile per via del cimento termico. Si tratta comunque di attuatori a due posizioni, che quindi non necessitano di un vero controllo di posizione. 6.5 Bibliografia S.Chiesa, Impianti Di Bordo Per Aeromobili: Impianti Pneumatico, Condizionamento, Antighiaccio e A.P.U., CLUT, 1981. F.Vagnarelli, Impianti Aeronautici vol.i - Impianti di Bordo - Parte I, IBN Editore, 1991. - 6.5 -