ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Sede di Bologna TESI DI LAUREA In Laboratorio di CAD STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UNA TURBINA COMPATTA E AFFIDABILE PER UN ELICOTTERO ULTRALEGGERO BASATO SU COMPONENTI COMMERCIALI CANDIDATO Marco Costanzelli Anno Accademico 28 /9 II Sessione RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli
Scopo della trattazione e funzionamento del turbogas Assemblare una turbina a gas con componenti commerciali in grado di erogare una potenza di 147 kw (2 CV). I componenti sono stati scelti utilizzando il catalogo commerciale per sovralimentazioni automobilistiche Garrett disponibile in rete
Architettura utilizzata Per ottenere la maggior potenza possibile si è utilizzato un layout del turbogas con due turbine in serie: turbine di bassa e alta pressione Questa architettura consente di poter inserire un post bruciatore tra le due turbine in grado di aumentare ulteriormente la potenza in caso di necessità
Dai calcoli di progetto svolti si sono ottenuti risultati che hanno portato alla scelta di utilizzare, come compressore e turbina di alta pressione, i componenti GT5533R del catalogo Garrett. Per la turbina di bassa pressione i calcoli non hanno fornito risultati riscontrabili con le caratteristiche delle turbine presenti sul catalogo. Si propone quindi, come sviluppo futuro, la progettazione e la realizzazione di questo componente Diagramma caratteristico del compressore Diagramma caratteristico della turbina
1 2 Influenza della temperatura di ingresso in turbina sulla potenza ottenuta 3 4 5 6 7 8 9 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Nell utilizzo della turbomacchina, il principale parametro di controllo per regolarne il funzionamento è costituito dalla regolazione della quantità di combustibile introdotta in camera di combustione. Aumentando il combustibile introdotto, aumenta la temperatura in camera di combustione e quindi anche la temperatura di ingresso in turbina. Come si vede dalle curve riportate, ciò porta ad avere: Un miglioramento del rendimento termodinamico del ciclo Un aumento della potenza ottenibile Un aumento del consumo specifico Andamento delle curve di interesse calcolate con T=75 C T=9 C T=1 C 16 14 12 1 Potenza Pot 75 Pot 9 Pot 1,16,14,12,1 Rendimento,25,2,15 Consumo Specifico 8 6 4,8,6,4 η 75 η 9,1,5 scf 75 scf 9 scf 1 2,2 Quota [m] Quota [m] Quota [m]
Potenza ottenibile in condizioni di progetto Temperatura 75 C 9 C 1 C Potenza 72 kw 11 kw 135 kw Consumi,96 kg/min 1,2 kg/min 1,44 kg/min Potenza ottenibile in condizioni di progetto con accensione del post bruciatore Temperatura 75 C 9 C 1 C Potenza 86 kw 13 kw 16 kw Consumi 1,2 kg/min 1,56 kg/min 1,81 kg/min Portando la temperatura di ingresso in turbina fino a 1 C e attivando il post bruciatore riesco a ottenere una potenza elevata in grado di rispondere alla richiesta di 147 kw dell utilizzatore. Basta quindi un solo turbogas per ottenere la potenza richiesta da progetto.
Aggiungendo uno scambiatore per recuperare calore dai gas di scarico all uscita della seconda turbina è possibile ridurre del 4 % i consumi. Come ulteriore vantaggio si può utilizzare il combustibile come lubrificante per i cuscinetti al fine di ottenere un preriscaldamento della miscela che favorisca la combustione. Infine, per aumentare la sicurezza a bordo in caso di incidente, il turbogas viene alimentato a gasolio.
Possibili applicazioni Dato l elevato rapporto potenza/peso e l esiguo numero di componenti il turbogas garantisce potenza, leggerezza e grande affidabilità; la facilità nel reperire il necessario sul mercato permette di sostituire velocemente i componenti in avaria. Queste caratteristiche rendono conveniente il suo utilizzo su gru volanti e su elicotteri ultraleggeri da turismo in sostituzione dei motori alternativi finora impiegati
Grazie per l attenzione