Capitolo 6 Impianto Pneumatico - 6. -
6. 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 suo 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; travaso di combustibile; gonfiaggio guarnizioni di tenuta dei portelloni o tettucci apribili; avviamento motori; funzionamento di attuatori (in alcune condizioni). 6.2 Generazione La generazione di aria compressa può avvenire attraverso compressori volumetrici o turbocompressori. 6.2. 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 e legata alla geometria del cilindro. Questi apparecchi vengono fatti funzionare da motori a scoppio, o elettrici, o idraulici. 6.2.2 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. A bordo di velivoli a turbomotore, si usa quasi nella totalità dei casi spillare aria direttamente dal compressore del propulsore. Se serve una grossa portata d aria spesso lo spillamento avviene da due diversi stadi, disponendo così di uno spillamento a bassa pressione ed uno ad alta pressione. Non è infatti consigliabile prelevare tutta l aria da un unico punto del compressore, perché questo comporterebbe una forte variazione della sezione, con decadimento delle prestazioni del compressore. 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 chiuso in caso di necessità, come quando al motore è richiesta di massima spinta. La pressione a valle della giunzione sarà necessariamente uguale o inferiore a quella della presa a bassa pressione; il fatto di aver alzato la pressione per poi ridurla con un processo - 6.2 -
dissipativo costituisce una perdita energetica, ma indispensabile per i motivi prima accennati e in gran parte ricuperata in temini termici. Prima di distribuire l aria compressa così ottenuta si ha normalmente una regolazione di temperatura e di pressione attraverso uno scambiatore di calore ed una valvola regolatrice di pressione. Fig. 6. - Spillamento d aria dal compressore Si osservi che con questa tecnica si spilla dal compressore una percentuale relativamente 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. È prevista spesso una connessione per l alimentazione dell impianto da parte di una macchina a terra da usare quando i motori del velivolo sono fermi. 6.3 Compressore Il compressiore è una macchina nella quale è definito, per una certa velocità angolare della girante e per una certa portata, il rapporto di compressione: β = p p 2 Per determinare le condizioni del gas in uscita si può valutare la temperatura in uscita in condizioni adiabatiche: T 2ad k ( ) k = T β p p 2 Fig. 6.2 Simbolo di compressore - 6.3 -
In realtà il processo non è isoentropico, ma si hanno delle perdite che portano ad una temperatura superiore definibile attraverso un rendimento che è funzione del numeri di giri della girante e della portata: η = c T2 ad T 2 T T Fig. 6.3 Compressione nel piano TS La temperatura reale all uscita del compressore sarà quindi: T2 ad T T2 = T + ηc Nota la temperatura è facilmente ricavabile la densità ed è quindi completamente definito lo stato dell aria. 6.4 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 MPa ed in temperatura da 80 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 75 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. - 6.4 -
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 alimentazione. Sono tuttavia previste delle valvole di alimentazione incrociata, nel caso di guasto di un gruppo di generazione, per l azionamento delle utenze più importanti (come ad esmpio il sistema 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. 6.5 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. La potenza pneumatica viene convertita in meccanica attraverso turbine; la potenza ottenuta può essere espresso da: dove: W = Cω = η m& c ( T ) P T2 C = coppia all asse turbina; ω = velocità di rotazione. η = rendimento; &m = portata d aria in massa; c p = calore specifico a pressione costante dell aria; T, T 2 = temperature all ingresso ed all uscita della turbina; - 6.5 -
La turbina lavora fra due pressioni note; teoricamente si ha una trasformazione adiabatica per cui la temperatura all uscita della turbina è: T 2ad p 2 = T p In realtà il processo non è isoentropico e si può introdurre un rendimento: T T2 ηt = T T 2ad k k p p 2 Fig. 6.4 Simbolo di turbina da cui: ( T T ) T2 = T η t 2ad Come detto in precedenza, gli attuatori lineari di tipo pneumatico sono raramente impiegati a bordo; i loro vantaggi, rispetto ad attuatori idraulici, sono l assenza della necessità di una linea di ritorno e la scarsa importanza del problema di tenuta; tuttavia, a causa dell elevata comprimibilità dell aria, presentano lo svantaggio di un più difficile controllo di posizione dell attuatore. Inoltre gli attuatori pneumatici a causa delle minori pressioni di esercizio utilizzabili sono più ingombranti e pesanti di quelli idraulici, anche se è necessaria Fig. 6.5 Turbina nel piano TS una minore robustezza. Uno dei rari impieghi sopravvissuti è nell attuazione degli inversori di spinta, dove l uso di un sistema oleodinamico è reso problematico dal fatto di dover lavorare in un ambiente a temperatire molto elevate con conseguenti effetti sull olio. Si tratta comunque di attuatori a due posizioni, che quindi non necessitano di un vero controllo di posizione. I vantaggi degli attuatori pneumatici sopra riportati li portano comunque ad una loro preferenza in molte applicazioni industriali. In alcuni casi il velivolo è dotato di turbine azionate dall aria compressa dell impianto pneumatico da utilizzare in certe condizioni di emergenza per azionare pompe o generatori elettrici. - 6.6 -
6.6. Esempi di impianti pneumatici - 6.7 -
POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE - 6.8 -
POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE - 6.9 -
POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE 6.7 Bibliografia S.Chiesa, Impianti Di Bordo Per Aeromobili: Impianti Pneumatico, Condizionamento, Antighiaccio e A.P.U., CLUT, 98. F.Vagnarelli, Impianti Aeronautici vol.i - Impianti di Bordo - Parte I, IBN Editore, 99. - 6.0 -