ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA OTTIMIZZAZIONE DI UN RADIATORE AD EFFETTO MEREDITH PER IL VD007 Tesi di laurea di: Marco Pellegrini Relatore: Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana Prof. Ing. Alfredo Liverani
Gli scopi della tesi Dimensionamento del sistema di raffreddamento per il motore VD007, per il gruppo di sovralimentazione e per l olio lubrificante. Progetto di un radiatore con tubi a profilo alare NACA con lo scopo di ridurre la resistenza del blocco radiante al passaggio dell aria. Progetto di un condotto in cui posizionare il radiatore con lo scopo di minimizzare le resistenze in fase di salita e di produrre una spinta positiva, come previsto dall effetto Meredith, alla velocità di crociera.
Il motore VD007 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 Il motore Diesel viene scarsamente impiegato perché produce basse potenze, anche se con rendimenti elevati. L ingegner Davide Vangelisti ha convertito il motore Benzina aeronautico Daimler Benz 605 in un motore Diesel, con lo scopo di sfruttare le nuove tecnologie Common rail per aumentarne la potenza. Vantaggi del Diesel nell applicazione aeronautica: - elevato rendimento (η min = 35%) - bassi consumi specifici - minor costo del carburante (jp4, jp8, jet A1, kerosene) Grazie all iniezione Common rail (due iniettori per cilindro), Vangelisti è riuscito a portare la potenza teorica del VD007 ad un massimo di 2200 CV, rendendo così favorevole l utilizzo del Diesel in campo aeronautico.
Propulsione ibrida e Turbocompound Funzionamento al in ordinario decollo emergenza IC T = 50 C Diesel VD007 T = 1000 C B1 T = 1350 C C T1 ELICA β = 6.25 Aspirazione B2 T = 1350 C T2
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).
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. Per migliorare le prestazioni del condotto, interverremo sul divergente modificandone la geometria per aumentarne l efficienza e sul blocco radiante per abbassarne la resistenza. Notare la posizione del radiatore dell olio, che riprenderemo nel nostro progetto, seppur con qualche variante.
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 alle varie componenti da raffreddare nelle condizioni di crociera per poi aumentarlo del 20% (Bf 109, 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, anche se il Diesel ha meno problemi a basse potenze rispetto al Benzina
Il calore da sottrarre Raffreddamento del motore: 842 kw Raffreddamento dell aria in uscita dal compressore (intercooler): 354 kw Raffreddamento della turbina: 310 kw È l organo più delicato e andrebbe raffreddato ad aria per avere più sicurezza. Col raffreddamento a liquido, però, conteniamo le dimensioni del radiatore. Scelgo il raffreddamento ad acqua, ma resta aperta l ipotesi di modificarlo, passando al raffreddamento ad aria (però senza passare per il condotto, altrimenti raggiungo pesi eccessivi). Raffreddamento dell olio lubrificante: 63 kw Ottengo un radiatore molto piccolo e nasce il problema del suo posizionamento.
La tipologia di radiatore La scelta ricade sul modello 9.68-0.87 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 e i numeri di Pr e St del flusso d aria fredda in funzione del numero di Re 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.
Il coefficiente di resistenza del radiatore Sostituiamo al flat tube il profilo NACA 0014: - la sigla 00 indica un profilo simmetrico - la sigla 14 indica il rapporto tra spessore massimo e corda; scegliamo questo valore così non variamo la sezione libera di passaggio per l aria Il coefficiente di flusso rimane invariato, cioè U è lo stesso con entrambi i tipi di tubi. Rimane solo da calcolare il coefficiente di resistenza; conosciamo il valore nel caso di profilo isolato, ma dobbiamo tenere conto: n della presenza delle alette della comprimibilità e della densità dell aria dell effetto schiera trascurabile della variazione dell angolo di attacco mediamente nullo (Hoerner, Fluid Dynamic Drag)
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. A 5000 m l aria ha una T di -18 C; fissiamo il valore della T di uscita a 72 C. Così ottengo: m = Q / ( Cp ΔT ) = 20.8 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, nel senso che il progetto complessivo dell aeroplano prevede prestazioni comparabili a quelle del C-130: V = 153 m/s = 550 km/h S = Q / ( ρ V Cp ΔT ) = 0.1848 m² Bisogna ora fissare la geometria della sezione di ingresso: scelgo la cosiddetta bocca di pescecane.
Soluzioni per il contenimento delle perdite in ingresso Il by-pass dello strato limite o boundary layer by-pass fa in modo che la parte di flusso turbolento in ingresso venga inviata direttamente allo scarico senza attraversare il radiatore. Anche il profilo d ingresso o leading edge interviene contro il flusso turbolento allo scopo di impedire la creazione 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 la creazione 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)
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 si raggiunge con un valore di φ (semiangolo di apertura del condotto) pari a 7. La presenza del divergente influenza anche il coefficiente di resistenza del radiatore: Sin / Sf > valore critico, allora kp = kp0 Sin / Sf < valore critico, allora kp = 1 / (Sin / Sf)^2-1 ( valore critico = 1 / ( 1 + k p0 )^ 0.5 ) andamento ideale andamento divergente a pareti piane andamento divergente a pareti piane con alette all ingresso andamento streamline diffuser
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. Nelle applicazioni pratiche si impiegano divergenti con φ minimo pari a 15-17. Questo perché lo streamline diffuser (o un normale condotto a pareti piane con φ pari a 7 ) risulta troppo lungo e ingombrante, e quindi costoso. andamento streamline diffuser andamento divergente tipo Mustang Il risparmio ottenuto è però vanificato dalle ingenti perdite che si misurano nel condotto. Perciò la nostra scelta non può che ricadere sullo streamline diffuser, in quanto così riusciamo a minimizzare le perdite sia nel condotto stesso che nel radiatore.
Calcolo del pressure drop nel radiatore Noto il coefficiente di resistenza del radiatore, possiamo calcolare la perdita di pressione che il flusso d aria incontra nel suo attraversamento; a tale scopo utilizziamo due metodi: - il primo, tratto dal volume Compact Heat Exchanger, ha un approccio che possiamo definire classico perdite in ingresso perdite dovute all accelerazione dell aria perdite per attrito - il secondo, tratto dal report NACA 896, deve invece la sua formulazione a riscontri sperimentali Andamento della T Andamento della velocità Entrambi i metodi hanno messo in luce come sia necessario un rapporto tra la sezione frontale del radiatore e la sezione d ingresso pari a: SF / SIN = 4.5 nel radiatore principale SF / SIN = 6 nel radiatore dell olio
Dimensionamento del convergente Le perdite sia distribuite che concentrate nel convergente sono trascurabili. Ci concentriamo 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. boundary layer by-pass 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. outlet guide vane (convergente condotto principale) (convergente condotto secondario)
Radiatore principale Lunghezza divergente = 2824 mm Dimensioni radiatore: 921 x 866 x 269 mm Coeff di resistenza radiatore = 7.036 Peso radiatore = 80.1 kg (59.5 kg a secco) Distanza convergente ( a ) = 650 mm Sezione uscita: 921 x 171 mm Radiatore olio lubrificante Lunghezza divergente = 862 mm Dimensioni radiatore: 456 x 100 x 215 mm Coeff di resistenza radiatore = 6.552 Peso radiatore = 3.2 kg (2.3 kg a secco) Distanza convergente ( a ) = 200 mm Sezione uscita: 456 x 15 mm
Conclusioni Si è deciso di posizionare i radiatori del motore, della turbina e dell intercooler nel medesimo condotto, mentre per il radiatore dell olio si è provveduto alla costruzione di un secondo condotto. Si è sostituito al flat tube il profilo NACA 0014, ottenendo minore resistenza al passaggio dell aria (guadagno del 6% in termini di pressione). Abbiamo 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. Infine si è proceduto al calcolo della spinta in condizioni di crociera: F = m (Varia Vcrociera) F = 3777 N Il risultato è in linea con i valori del Mustang e rende ancora più concorrenziale il progetto di propulsione ibrida con motore Diesel e turbocompound nei confronti degli attuali propulsori a turbina o a motore a Benzina.