Aeronautical engineering - Motori per aeromobili

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MOTORI PER AEROMOBILI Introduzione Appunti di Zeno Brighenti, A.A 2021-2022, Prof. Roberto Andriani “People, help the people” Cherry Gost1 : “People” (2007) 1- Nota dell’autore I seguenti appunti sono stati presi dal sottoscritto videotrascrivendo le lezioni online del corso, durante l’anno accademico 2021-2022. Decido liberamente di condividere tale materiale, senza alcun fine di lucro, in quanto, magari con presunzione, penso possa essere un buona risorsa per coloro che affronteranno il corso. In passato mi sono servito di numerosi appunti e dispense fornitemi da compagni, nonché recuperare proprio su questo sito. Spero che questa sia una buona occasione per sdebitarmi e ricambiare con piacere il favore. D’altronde, se non ci aiutiamo tra noi studenti, chi ci viene a salvare qui al politecnico? Ringrazio pubblicamente il mio compagno Marco Scaglia per i preziosi consigli fornitomi per la preparazione di suddetto esame. 2- Alcune precisazioni su questi appunti In maniera concisa, veniamo subito al dunque: •I seguenti appunti sono stati presi, coma già introdotto, seguendo l’anno accademico 2021-2022: non v’è garanzia che gli stessi argomenti siano trattati in egual misura dal docente negli anni accademici a venire! 1Da sottolineare anche l’ottima cover proposta da Birdy nel 2011! “Introduzione”1 •Il seguente materiale è stato realizzato per la mera preparazione personale. Non si tratta di un libro di testo ne tantomeno di materiale fornito dal docente. Non si assumono responsabilità per eventuali refusi o imprecisioni! In quanto non sono un professore della materia e, come studente, è naturale che possa avere commesso degli errori; •Il testo risulta sostanzialmente leggibile e comprensibile in ogni sua parte. Essendo del materiale di appunto è naturale che contenga errori sintattici o morfologici 2 (ravvisati da me stesso durante la rilettura del testo) ma, data l’assenza di tempo3 , non sono stati corretti. È personale opinione dell’autore che il testo sia comunque leggibile in ogni sua parte, ed eventuali contraddizioni siano facilmente risolvibili con un’attenta e critica rilettura del testo Sottolineo che tali contraddizioni sono comunque rare, ma non del tutto assenti, nel testo; •La dispensina copre l’intero corso. Alcuni capitolo sono stati accorpati, rispetto alle slides fornite dal professore, per semplicità di raccolta. In conclusione si consiglia SEMPRE e COMUNQUE di seguire il corso attivamente, e di utilizzare le suddette note come materiale di mero riferimento o completamento dei propri appunti (tenendo comunque presente quanto scritto sopra). Concludo salutando tutti i colleghi di ing. aeronautica del Polimi. Nella speranza che dopo innumerevoli fatiche e dure prove, alla fine decolleremo tutti verso una radioso futuro. Zeno Brighenti (mat. Mag 941192) Bergamo, 17 Febbraio 2023 2Specialmente nelle note delle pagine dove, per motivi del tutto oscuri, il correttore di Libreoffice pare non funzionare correttamente. 3Ma anche di voglia... “Introduzione”2 MOTORI PER AEROMOBILI Indice Appunti di Zeno Brighenti, A.A 2021-2022, Prof. Roberto Andriani Il compressore assiale: parte prima 1-Introduzione •Generalità sul compressore assiale; 2-Il lavoro euleriano: grado di reazione e il triangolo di velocità •Definizione di lavoro Euleriano e triangolo di velocità; •Definizione del grado di reazione; 3-Lo stadio di un compressore assiale •Gli stadi di una turbomacchina: rotore e statore; •Analisi del triangolo di velocità in uno stadio di un compressore; •Andamento delle grandezze termofisiche (pressione, temperatura…) all’interno di uno stadio del compressore; 4-La curva caratteristica dei compressori •Legame tra la portata (velocità assiale d’ingresso) e il lavoro Euleriano; •La curva caratteristica (portata vs rapporto di compressione – Lavoro Euleriano) di un compressore; •Analisi delle perdite tramite curva caratteristica; •Le linee di accelerazione e decelerazione nella curva caratteristica del compressore; 5-Lo sfasamento dei triangoli di velocità allo start e le Variable Bleed Valve •Il problema dello starter (sfasamento dei triangoli di velocità); •Lo spillamento d’aria tramite bleed valves; •Esempi di bleed valves a comando pneumatico; “Indice”1 •Esempi di bleed valves a comando elettronico; •Relazione tra l’apertura delle bleed valves e il numero di giri del compressore; 6-Statori a geometria variabile: Variable Guide (o Stator) Vane •Caratteristiche degli statori a incidenza variabile; •Meccanismo di controllo idromeccanico per il controllo simultaneo delle Inlet Guide Vane e le Variable Bleed Valves; •Sistemi dettagliati per l’attuazione dell VGV. 7-Lo stallo rotante •Fenomenologia dello stallo rotante; •Descrizione dello stallo rotante nella curva caratteristica del compressore; 8-Lo strato limite e i compressori transonici •Motivo per cui il rapporto di compressione è molto ridotto rispetto al rapporto d’espansione di una turbina: il gradiente di pressione avverso. •Lo strato limite: definizione, lo stallo e il distacco di vena fluida, strato limite laminare e turbolento; •Il coefficiente di pressione: definizione e utilizzo pratico; •Introduzioni ai compressori transonici; •Analisi del campo fluidodinamico in una paletta di turbomacchina: analisi dei fenomeni d’urto; Appendice: Ulteriori immagini commentate; Appendice 2: Bleed valves; Appendice 3: Ulteriori immagini commentate Appendice 4: Dimostrazione rigorosa del lavoro euleriano Il compressore assiale: parte seconda 1-Introduzione •Il bloccaggio delle palette sul disco: introduzione al problema del bilanciamento statico; •Trattamenti passivi (Caising Treatment) e trattamenti attivi (ricircolo dell’aria) per la gestione dei vortici d’estremità; •Il trattamento, passivo ed attivo, della clearence (fenomeno del leakage); “Indice”2 •Lavorazioni Blisk e Bling per la costruzioni delle palette e del disco turbomacchinale; •Lavorazione Blisk: Lavorazione mediante macchine utensili, Lavorazione mediante ECM (Electrochemical Machining), Lavorazione mediante LFW (Linear Friction Welding); 2-Svergolatura della pala •La svergolatura della paletta: definizione e motivazione del suo utilizzo; •Struttura di una palettatura normale e di ultima generazione (Diffusion Bonding Super Elastic Forming); •Procedura di realizzazione di una paletta DBSEF. “Indice”3 La turbina assiale: parte prima 1-Generalità sulla turbina assiale •Introduzione alle turbine: schema di funzionamento, turbine a bi-albero; •La turbina di potenza libera; •Inserimento e fissaggio delle palette sul disco; •La misurazione della temperatura mediante termocoppia o pirometro ottico; •Il fenomeno del leakage e la sigillatura mediante tenute dinamiche; 2-Analisi termofluidodinamica della turbina assiale •Differenze tra la turbina assiale-radiale; turbina assiale e compressore assiale; •Il coefficiente di carico e il coefficiente di carico per stadi ad azione; •Andamenti della velocità e della pressione all’interno dei condotti di statore e rotore; •Generalità sulle turbine ad azione; •Analisi dello stadio a reazione; •La turbina controrotante: •Relazione tra portata e carico in una turbina assiale e deviazione dell’angolo effettivo di flusso; •Cenni alle turbine supersoniche: configurazione dei bordi d’attacco, campo fluidodinamico attorno al profilo; •Relazioni per determinare l’efficienza della turbina e diagrammi adimensionalizzati lavoro, portata massica, numero di giri; Appendice: ulteriori immagini commentate •Schema di una turbina di potenza libera (motore PT6); •Schema di una turbopompa ad azione per motori a razzoM La turbina assiale: parte seconda 1-I materiali costruttivi •Materiali costruttivi dell’intero motore; •La struttura cristallina di una paletta: struttura equassica, struttura a grani in colonna, struttura a singolo cristallo; 2-I rivestimenti protettivi •Il Termal Barrier Coating per il rivestimento delle palette di turbina; “Indice”4 •La formazione del rivestimento mediante termospruzzatura: il rivestimento allo spary di plasma. “Indice”5 Il sistema del combustibile: parte prima 1-Concetti introduttivi •Definizione dell’impianto del combustibile; •Portata d’aria e di combustibile in funzione della quota; •Le funzioni tipiche di un sistema combustibile; •Input ed output del sistema di controllo del combustibile; 2-Schema di funzionamento: Il Fuel Metering Unit •Schema di principio di un regolatore di combustibile; •Funzioni tipiche di un sistema combustibile: sia primarie che secondarie; •La linea operativa del sistema del combustibile: definizione della Surge e Flame-out limit, l’importanza delle grandezze adimensionalizzate. •Il problema del controllo diretto della menetta sul numero di giri; 3- Cenni alla logica del controllo •La logica di controllo proporzionale: l’importanza della funzione limitatrice; •Il governor: compiti e schema a blocchi; 4-Il combustibile come fluido di lavoro •L’attuazione delle Variable Stator Vane tramite combustibile; •Andamento reale di accelerazione e decelerazione in una curva caratteristica; •Diagramma concettuale di una Fuel Metering Unit; •Il governorn a masse centrifughe (configurazione tramite ‘Fly-balls’ e ‘levette incernierate’); •Analisi del sistema combustibile del motore nel suo insieme; 5-L’impianto completo del combustibile •Schema di funzionamento del sistema di combustibile del motore GE CF6; •La pompa a portata variabile (detta anche pompa a piatto oscillante); 6-Schema del sistema di un motore-velivolo •Schema del sistema di un motore turboelica; •Schema del sistema di un motore turbogetto. “Indice”6 Il sistema del combustibile: parte seconda 1-La gestione della manetta •La relazione stazionaria non lineare tra il numero di giri-portata di combustibile / spinta; •La manovra di riattaccata e il perché si aumentino sempre il numero di giri in fase di atterraggio; •Il problema della linearizzazione della manetta; •Esempio di descrizione generica delle impostazioni della manett a : angolarità e comandi di spinta; 2-Il controllo elettronico •Esempio di controllo elettronico con back-up manuale; •Schema di funzionamento della Fuel Metering Unit; 3-Le pompe per il sistema combustibile •La pompa ad ingranaggi d’Alta Pressione: caratteristiche delle pompa, schema di funzionamento, curva operativa: portata di combustibile-numero di giri; •La pompa ad ingranaggi di Bassa Pressione: schema di funzionamento, serbatoio di drenaggio combustibile con pompa ad eiettore; •Le valvole cinetiche per il controllo della servo-pressione; •Le valvole pressurizzatrici e di drenaggio; 4-La post combustione •Introduzione (generica) alla post-combustione; •Sistema di controllo del post-combustore. “Indice”7 Il sistema di lubrificazione: parte prima 1-Introduzione al sistema di lubrificazione •Compiti del sistema di lubrificazione; •Il fenomeno dell’attrito radente; 2-Lubrificazione dei cuscinetti •Introduzione ai cuscinetti a velo d’olio (bronzine); •Introduzione all’attrito volvente; •Alcune caratteristiche degli oli SAE; •Schema semplificato dell’impianto di lubrificazione ; •Differenza tra i sistemi di lubrificazione full flow e Pressure-Relief Valve; •Impianto di lubrificazione (semplificato) del motore CFM-56; 3-Il sistema di lubrificazione ad olio perso •Il sistema di lubrificazione ad olio perso; •La pompa dell’olio ‘Single Shot’ •Valori caratteristici di pressurizzazione tra un cuscinetto a sfere e un cuscinetto a rulli; 4-Il sistema dell’olio: dettagli sul serbatoio dell’olio, Lubrification Unit e Chip Detector •Il serbatoio dell’olio (e il serbatoio acrobatico); •La Lubrification Unit: schema di funzionamento; •I Chip Detector: funzione, schema di montatura, la versione elettronica (Eletrich Chip Detector) i moderni sistemi induttivi; •La quantificazione della generazione di Debris di un componente: il rodaggio, il separatore a tre fasi a vortice, e il Quantitative Debris Monitoring; Il sistema di lubrificazione: parte seconda 1-La pressione di lubrificazione •Grafico della pressione d’esercizio (Pressione dell’olio vs Numero di giri): zone d’operatività e zone limite di pericolo; •La presurizzazione del serbatoio dell’olio; •L’interruttore e il trasmettitore sulla linea dell’olio; •Il controllo del livello dell’olio mediante asta-vetrino di visualizzazione ed elettronico; 2-La pompa d’alimentazione “Indice”8 •Descrizione della pompa a ingranaggi, pompa georotor e pompa a palette; •Il filtro dell’olio; 3-Il sistema di raffreddamento •Scambiatore di calore olio-combustibile ; •La servo fuel heater; •Integrated Drive Generator (IDG) : funzionalità, schema di funzionamento, importanza dell’olio come refrigerante, lubrificante e azionatore del governor; •Cenni ai cuscinetti volventi, a sfere, a rulli conici, squeeze film; •Il filtro a filamento, i restrittori e lubrificazione a getto diretto e getto indiretto; 4-Analisi dell’operazione di lubrificazione •Analisi dei tempi di rottura di un cuscinetto non lubrificato ; •Il separatore aria-olio centrifugo. “Indice”9 Il sistema dell’aria del motore 1-introduzione al capitolo •Introduzione al sistema dell’aria del motore; •Lo strato limite termico: conduzione termica, fattore di recupero, temperatura adiabatica di parete; •Scambio termico tra fluido caldo, parete e fluido refrigerante: la temperatura di parete con raffreddamento; •Descrizione del raffreddamento all’interno di un motore aeronautico; •Le modalità di raffreddamento disponibili; 2-Modalità di realizzazione dei sistemi di raffreddamento •La realizzazione di una paletta di turbina mediante tecnica di cera persa; •La realizzazione dei fori di raffreddamento mediante elettroerosione ed laser; 3-Analisi dei sistemi di raffreddamento e applicazioni pratiche •Definizione dell’efficienza di raffreddamento e valori caratteristici per raffreddamento a cooling, film cooling e transpiration; •Calcolo della Stator Outlet Temperature; •Quantità d’aria per il raffreddamento: confronto tra le palette rotoriche e statoriche della turbina di alta pressione; •Il controllo attivo trafilamento casing (clearence); •Il raffreddamento del generatore elettrico: la pompa a getto; 4-I sistemi d’accensione •Il sistema d’avviamento del motore: sistema meccanico a Pawl e Sprang Clutch Ratchet; •Principali modalità di accensione per motori vecchi e nuovi; •Tipica sequenza d’accensione di un turbogetto ; •Il raffreddamento del pozzetto dei cuscinetti; 5-Introduzione alle tenute •La tenuta a labirinto; •Analisi di configurazioni alternative ai sistemi di tenuta; 6-Applicazioni speciali: il bilancio del carico assiale e i sistemi antighiaccio •Il controllo del carico sui cuscinetti; “Indice”10 •Cenni al sistema antighiaccio. “Indice”11 Il rumore dei motori aeronautici 1-Il concetto di “rumore” •Definizione di suono, periodo (frequenza), lunghezza d’onda, pressione sonora efficace, suono (tono) puro, potenza e intensità sonora; •Esempi di potenze sonore per rumori di “tutti i giorni”; •Relazione tra intensità ed ampiezza sonora; •Livello d’intensità acustica : il decibel; •I fattori che influenzano la percezione del suono: distanza, direzione e ambiente di propagazione (indoor o outdoor); •Analisi della curva di iso-sensibilità: 2-Analisi del rumore prodotto da un aviogetto •Le tre posizioni di riferimento per la certificazione del rumore; •Analisi del decollo e della traiettoria di un velivolo: l’operazione di cut-back; •Il rumore dell’elica: analisi nello spettro delle frequenza del rumore costituente, analisi energetica dei singoli toni ed eventuali contromisure per ridurre il fenomeno; •Il rumore del motore a getto: descrizione ed evoluzione della riduzione del rumore con l’aumentare del BPR; •Analisi del rumore del motore a getto tramite spettro caratteristico: le Haystack; •Il Blade Passage Frequency; •Analisi del rumore prodotto da fan e compressore; •Analisi del rumore prodotto dal getto: descrizione e caratteristiche; •Il rumore dei motori e doppio flusso: analisi dei principali processi di mescolamento e metodi per la rimozione del rumore; •Alcune configurazioni tipiche per la soppressione del rumore; •I pannelli fonoassorbenti dissipativi e reattivi; •Riepilogo sulle principali precauzioni per ridurre il rumore prodotto; “Indice”12 Il motore alternativo: parte prima 1-Introduzione al motore alternativo •Caratteristiche del motore a pistoni; •I quattro tempi di un motore a pistoni; •I componenti principali di un motore alternativo; 2-Organi del motore a pistoni •I principali organi del motore alternativo; •Definizione di camera di combustione, punto morto superiore, punto morto inferiore, corsa, cilindrata e rapporto di compressione volumetrico; •Definizione di motore quadro e motore superquadro; 3-Analisi termodinamica del motore Otto •Il ciclo termodinamico ideale: lavoro netto ottenibile, calore netto scambiato, rendimento termodinamico, relazione tra il rendimento termodinamico e il rapporto di compressione volumetrico-rapporto di pressioni; •Cenni al motore a due tempi; •Il ciclo termodinamico indicato: i fenomeni reali dissipativi; •L’anticipo dell’accensione: descrizione e motivazione della sua importanza; •Il fenomeno dell’incrocio delle valvole: il perché del ritardo nelle chiusure delle valvole; •Definizione di: potere calorifico, rapporto di miscela, rendimento volumetrico (o coefficiente di riempimento), rendimento indicato, rendimento organico → calcolo della potenza elargita e del lavoro di pompaggio; •Andamento del coefficiente di riempimento in funzione del RPM; •Definizione di pressione media indicata ed effettiva: confronto tra un motore a ciclo Otto e a ciclo Diesel; 4-Analisi in termine di coppia e potenza •Definizione della coppia motrice; •Relazione coppia motrice vs posizione angolare del manovellismo; •La curva caratteristica di un motore a pistoni: potenza, coppia motrice e consumi vs RPM; •Come ridurre il lavoro indicato mediante parzializzazione della valvola a farfalla. “Indice”13 Il motore alternativo: parte seconda 1-Il carburatore •Il carburatore: obbiettivi e funzionamento; 2-Rapporto di miscela •Definizione di miscela ricca e povera di combustibile; rapporto di diluizione; •Grafico potenza vs rapporto di miscela; •La curva di calibrazione del carburatore; •Relazione tra EGT e titolo della miscela; 3-Il sistema d’iniezione •La potenza assorbita dall’elica; •Il problema della formazione di ghiaccio nel carburatore; •Alternativa ai carburatori: il sistema d’iniezione elettronico e il sistema d’iniezione del combustibile Lucas; •L’iniezione diretta e indiretta del combustibile; 4-Il motore Diesel •Descrizione del ciclo Diesel ideale: il lavoro di combustione, rapporto di combustione a pressione costante, rapporto di compressione e rendimento termico ideale; •Differenze tra un motore Diesel e un motore Otto; •Il ciclo Diesel indicato: il ciclo Sabathè; •Il ritardo d’accensione: spiegazione ed effetti; •Il numero di Cetano ; •L’iniezione diretta e indiretta nei motori Diesel: •La Common rail Diesel (pompa d’alta pressione): •Metodi per la riduzione dell’inquinamento: l’Exhaust Gas Ricirculation (di bassa e alta pressione), la marmitta catalitica, filtro antiparticolato (FAP e DPF) e iniezione di urea: 5-Comportamento prestazionale dei motori alternativi •Il comportamento del motore in quota: Potenza vs quota; •La sovra-alimentazione; 6-Il fenomeno della detonazione e preaccensione “Indice”14 •Le tre fasi della combustione; •Il fenomeno della detonazione: spiegazioni, effetti e possibili rimedi; •Il fenomeno della preaccensione; 7-Il comando di sovra-alimentazione •Schema di un motore sovra-alimentato ; •Il lavoro di pompaggio nei motori sovra-alimentati; 8-L’accensione •Lo schema di funzionamento tramite magnete d’accensione; •L’accensione dei motori radiali; •Anticipo d’accensione tramite masse centrifughe (numero di giri) ed variatore a pressione (carico del motore). Il motore alternativo: parte terza 1-La distribuzione •Definizione del sistema di distribuzione; •Analisi termica delle valvole (sia d’aspirazione che di scarico) e materiali costituenti; •Le valvole al sodio; •I moderni sistemi di distribuzione ad aste e bilancieri; 2-Analisi dei sistemi di camma •Analisi dinamica del sistema di camma: la legge d’alzata; •Il problema dello sfafallamento della valvola: la distribuzione desmodromica; •Cenni alla distribuzione elettromagnetica; 3-Il comando della distribuzione •La distribuzione tra albero delle camme e albero motore mediante ingranaggi, catene o cinghia dentata; 4-Tipologia di cuscinetti •Cenni ai principali cuscinetti utilizzati nei motori a pistoni; •Varie configurazioni sulla disposizione dei cilindri; 5-Il motore a capsulismi “Indice”15 •Il motore Wankel; 6-Curiosità su configurazioni alternative •Il motore Compound; •Il motore Nomad 1. “Indice”16 La manutenzione dei motori aeronautici 1-Le politiche di manutenzione •La scelta tra motore-velivolo: i fattori di costo per la scelta di un determinato motore; •La manutenzione: definizione, differenza tra manutenzione on-wing e manutenzione overhaul; •Il principio del Engine Health Monitoring; •Cenni alla manutenzione programmata; •Il Maintenance Review Board Project: definizione e processo di definizione. 2-I fattori umani •Esempi di soluzioni ad errori umani di manutenzione aeronautica; •La manutenzione nei velivoli plurimotori; •La variazione degli intervalli di manutenzione: alcune possibilità concesse dalle autorità normatrici. 3-Manutenzione “Hard Time” & On Condition •Il concetto di manutenzione Hard Time; •Il concetto di manutenzione On Condition; •La trend analysis dei parametri motoristici: i sistemi di monitoraggio Flight Deck, Control room ed Engine performance recorders; •La registrazione tempo-temperatura; •La manutenzione del FADEC; 4- Strumenti per la diagnosi e il controllo •Il Boroscopio; •Indicatori dello stato del motore : chip detectors, filtri dell’olio e filtri combustibile; •La trend anlysis come strumento di diagnostica e controllo; •Health Engine Monitoring : definizione e obbiettivi; 5- I parametri d’affidabilità •Definizione dei parametri d’affidabilità; •Esempio di parametro d’affidabilità: lo Shop Visit Rate e il Time Between Overall; •Definizione di motore maturo; •Parametri che maggiormente influenzano lo SVR; •Andamento del SVR rispetto alla Durata del viaggio medio e il derating; •Lo sbarco programmato e non programmato del motore; •I tre fondamentali della manutenzione odierna: individuare, prevedere e pianificare: “Indice”17 •Definizione della Outside Air Temperature Limit (OATL) e andamento lineare; •La Exhaust Gas Temperature: definizione e il Exhaust Gas Temperature Limit come parametro d’affidabilità; •Diagramma del EGTM in funzione delle ore di volo; •Motivazioni del perché, in un motore usurato, il EGTM si riduce; •Parametri che aumentino la riduzione dell’EGTM; •Recupero del margine EGT attraverso il lavaggio ; 6- Gestione della manutenzione •Esempio dei gestione dei motori di scorta; •Il fenomeno dell’Engine Re-Rating; •Lo standard ETOPS; La manutenzione dei motori aeronautici: parte seconda 1-La revisione •La revisione: definizione e importanza della architettura modulare; •Il flusso di revisione del motore: il ciclo base; •La decisionatura delle parti esaminate; •La fase di kitting (o impariglio); 2-La bilanciatura •La coincidenza tra bilanciamento statico e dinamico; •Il bilanciamento dinamico nelle turbomacchine mediante masse estreme; •Il bilanciamento tramite Dummy Compressor. Dummy system; •Il bilanciamento per le pali del FAN; 3-Analisi dei costi •Esempi di costi di velivoli; •Esempio di costi di un motore; •Il costo totale di manutenzione, il il costo totale della manutenzione del motore in particolare e il costo dei materiali nella manutenzione motoristica. Nel dettaglio il costo delle parti di scarto definitivo tra i costi del materiale; •La curva a “bagnarola” per la probabilità di rimozione di un singolo motore; 4-Le parti “calde” e “fredde” del motore •Definizione di parti calde e parti fredde dal punto di vista manutentivo; “Indice”18 •Andamenti del costo dei materiali per ora di volo della parte calda e della parte fredda: l’intervallo ottimo di revisione (TBO); •Parti a vita limitata : definizione; •L’analisi di Pareto sui costi del materiali scartato e suoi ricambi; • Principali tipologia contrattuali tra operatore di trasporto aereo e manutentore dei motori; •Motivazione dello scarto di un componente; •Principali soluzione per il risparmio dei materiali; •L’acquisto di ricambi PMA; •I recuperi DER; •Il ricorso al mercato del surplus. “Indice”19 Il Fadec (“Full Authority Digital Control”) 1-L’importanza del FADEC •Le principali funzioni del FADEC: ad esempio la fase di decollo; •Elementi costitutivi del FADEC: ECU, HMU e i componenti periferici; •Lo schema a doppio canale del FADEC: 2-Aspetti implementativi del FADEC •Il raffreddamento della ECU; •Un esempio pratico: il FADEC-CFM 56-5A (schema, funzionamento generale); •La misurazione del numero di giri dell’albero: la ruota fonica; •Principali vantaggi del FADEC; 3-La scatola accessori •Cenni alle principali configurazioni per la scatola ad ingranaggi; 4-APU •Definizione e principali compiti di una APU; •Schema di funzionamento di una APU ; 5-L’elettrificazione degli aeroplani •Cenni all’introduzione delle APU “elettrificate”. “Indice”20 MOTORI PER AEROMOBILI Il compressore assiale: parte prima Appunti di Zeno Brighenti, A.A 2021-2022, Prof. Roberto Andriani 1-Introduzione Il compressore assiale è subentrato negli ultimi decenni al compressore centrifugo, il primo a essere utilizzato nella propulsione aeronautica. Nonostante l’aerodinamica risulti più complessa da studiare ha l’enorme vantaggio di avere un’estensione radiale ridotta, e dunque d’essere meno ingombrante dal punto di vista aerodinamico. I primissimi compressori aeronautici erano a unico albero il quale collegava tutti gli stadi, rotorici e statorici, ruotando al medesimo numero di giri. Ad ogni stadio (ovvero una “cascata di palette”) il rapporto di compressione1 è abbastanza basso: 1.15-1.32 . Se si vuole raggiungere un alto rapporto di compressione complessivo (anche 10) è doveroso impiegare una multistadizione. Con l’evoluzione della tecnologia si sono introdotti dei compressori bi-albero: uno a bassa pressione3 e uno ad alta pressione, coassiali, ruotanti in verso opposto per bilanciare le coppie inerziali e con diverse velocità angolari. Attualmente sono allo studio dei motori tri-albero4 , garantendo al fan un proprio albero dedicato il quale gli permette ruotare a una velocità angolare apposita per le sue enormi dimensioni (per evitare dunque di avere del flusso supersonico in ingresso: si arriva anche a 3 metri di diametro!). Il fan è sicuramente lo stadio che richiede una maggiore energia per via della grande portata elaborata: se per gli stadi intermedi di compressione bastava un unico stadio di turbina per il fan ne sono addirittura richiesti di più. Per ogni compressore (di bassa, intermedia e alta pressione) v’è un albero dedicato d’alimentazione (collegato a sua volta con una turbina d’alimentazione) 1β=P uscita P ingresso. 2Ciò è dovuto alla possibilità di stallo delle palette ad alte incidenze di flusso (e, dunque, alte compressioni). 3Detto Fan (in taluni motori il Fan garantisce fino al 90% della spinta totale). 4L’attuale configurazione più comune è un bi-albero con dei riduttori di numero di giri. “Il compressore assiale: parte prima”1 Dobbiamo ricordare che il compressore opera a diversi numeri di giri. In genere esso viene ottimizzato al punto di progetto: la condizione di volo in cui il motore spende la maggior parte della sua vita operativa5 . 2-Il lavoro Euleriano, grado di reazione e il triangolo di velocità Applicando l’equazione di bilancio della quantità di moto angolare in direzione assiale a uno stadio rotorico6 della turbomacchina, con l’ipotesi di regime stazionario, si dimostra le seguente espressione: 5Per esempio, per un aereo di linea, il punto di progetto sarà il volo di crociera. 6Nello statore, data l’assenza di componenti ruotanti, non v’è alcun scambio di lavoro meccanico. “Il compressore assiale: parte prima”2 Leul = u2v2t− u1v1t [Kj Kg ]Ovvero s’è espresso il Lavoro Euleriano (il lavoro realmente scambiato tra il fluido e il rotore: di fatto la somma algebrica del lavoro fornito all’albero e il lavoro dissipato dalle perdite interne alla macchina) con il triangolo di velocità in uscita e ingresso dello stadio rotorico. La stessa quantità di lavoro può essere espressa anche per termini termodinamici: si tratta infatti da valutare la differenza di entalpia totale a monte e a valle del rotore: Ma l’entalpia statica, per l’assunzione di trasformazione adiabatica e isoentropica7 , può essere espresso tramite il rapporto di compressione: Da cui si giunge finalmente a: Mentre definiamo il grado di reazione come il parametro che quantifica la proporzione di lavoro scambiato per variazione di pressione statica rispetto allo 7L’assunzione di compressore ideale, ovvero adiabatico e isoentropico, è generalmente ritenuta valida per le normali condizioni operative di un aviogetto. In un’analisi più approfondita, tuttavia, vengono introdotti dei rendimenti d’irreversibilità. In parte ciò è ragionevole in virtù del fatto che l’energia termica scambiata è quasi irrilevante rispetto al lavoro scambiato. “Il compressore assiale: parte prima”3 scambio di lavoro complessivo, comprensivo, quest’ultimo, anche del lavoro scambiato tramite variazione di energia cinetica: •R ∈ [0−1]: nel rotore avviene sia una variazione di energia cinetica sia per variazione di pressione statica; • R = 0: nel rotore avviene una variazione di sola energia cinetica, la pressione statica si mantiene constante (Stadio Impulsivo). Solo nello statore avviene l’incremento della pressione statica8 . Il Triangolo di Velocità è la relazione vettoriale tra le diverse velocità osservabili per il flusso: •Velocità assoluta: è la velocità definita in un sistema riferimento fisso nello spazio9 ; •Velocità relativa: è la velocità definita in un sistema di riferimento in movimento solidale con il rotore mobile. Si ottiene dunque la seguente relazione: Si noti che il pedice “ θ”indica la velocità tangenziale (talvolta anche indicata in questi appunti con il pedice “t”) 8In tal modo lo statore è estremamente caricato da un flusso ad alta velocità (il rotore, di fatto, ha solamente accelerato), e, dunque, soggetto a grandi perdite. Si ottiene un grande incremento di pressione ma anche delle basse efficienze. 9Ovvero inerziale. “Il compressore assiale: parte prima”4 Sviluppando ulteriormente l’espressione, con dei banali passaggi trigonometrici, si giunge alla seguente espressione: A questo punto equipariamo il lavoro espresso per via vettoriale con l’analogo espresso tramite concetti termodinamici10 : Risulta curioso osservare che la variazione di pressione possa essere espresso mediante variazione di energia cinetica relativa. 3-Lo stadio di un compressore assiale Lo stadio di un compressore è formato da una parte ruota n te , detta rotore, e una fissa, detta statore. Sia il rotore che lo statore sono costituite da una cascata di palette fissate sulla cassa. Nella turbina rotore e statore sono invertiti (prima lo statore, poi il rotore). 10Si ricorda che per una turbomacchina assiale la velocità locale della paletta è approssimativamente costante:u1≈ u2 . “Il compressore assiale: parte prima”5 Solitamente la velocità assoluta in ingresso è assiale11 . La velocità relativa, invece, è quella che viene utilizzata per il progetto della componente rotorica12 . Di dimostra che il rendimento massimo si raggiunge quando:R ≈ 0.5. In linea di massima ogni paletta è approssimabile a un profilo alare. Dunque, se le velocità d’attraversamento è troppo onerosa, v’è il rischio di separazione del flusso dal profilo (ovvero lo stallo aerodinamico) con conseguente perdita di prestazioni. Proiettiamo il triangolo di velocità nel piano parallelo alla cassa: Vediamo di scomporre con calma il triangolo di velocità: •Rotore ingresso: nota la velocità in ingresso (supposta assiale) la velocità relativa è facilmente calcolabile come la somma della prima con la velocità locale della paletta. Si nota che essa è puntante al bordo d’attacco (condizione ideale); •Rotore uscita: si suppone che la velocità relativa abbia la stessa direzione del bordo d’uscita (condizione ideale) dunque, nota la velocità locale della paletta, si può determinare la velocità assoluta. Si noti che essa è esattamente puntante al bordo d’attacco dello statore (condizione ideale). 11Si possono utilizzare delle particolare palette guidanti, dette “Inlet Guide vane”, a monte dello stadio, per garantire ciò. 12Di fatto il rotore “vede” la componente relativa e non quella assoluta, in quanto definita in un riferimento ruotante solidale ad esso. “Il compressore assiale: parte prima”6 Noto il triangolo di velocità in ingresso e uscita dallo stadio rotorico il Lavoro Euleriano è d’immediato calcolo. La velocità del flusso diminuisce sempre ad ogni stadio del compressore! Nel rotore diminuirà la velocità relativa, nello statore quella assoluta. Ciò avviene analizzando il canale di passaggio tra due palette: ci si accorge facilmente, infatti, che il canale è un divergente e dunque decelera sempre il flusso subsonico13 . Per le turbine è l’esatto opposto, in quanto avviene un’espansione. Nel caso di sezione rotorica costante non si avrebbe avuto una variazione della velocità relativa e, dunque, il grado di reazione sarebbe divenuto nullo. Motivo per cui non si sarebbe assistito a nessuna variazione di pressione statica. Riassumendo: L’incremento di pressione totale avviene soltanto nel rotore14 ; l’incremento di pressione statica avviene (anche) nello statore15 13Si rimandano eventuali approfondimenti agli studi di Gasdinamica. Non vengo qui tratti casi speciali di compressori supersonici, ove il rallentamento avviene per mezzo d’onde d’urto. 14In quanto la pressione totale varia soltanto se viene compiuto lavoro, e dunque solamente nel rotore. 15In quanto rallenta semplicemente il flusso, convertendo l’energia cinetica in recupero di pressione. “Il compressore assiale: parte prima”7 Le grandezze fisiche sono cosi variabili: •La velocità assoluta assiale rimane mediamente costante alla velocità assiale d’ingresso: nel rotore si avrò un incremento di essa, nello statore un decremento. La velocità relativa segue esattamente il trend opposto. •La pressione statica è sempre crescente; •La pressione totale aumenta nel solo rotore, nello statore diminuisce lievemente per le perdite; •La temperatura totale è crescente nel solo rotore; costante nello statore; •La temperatura statica è sempre crescente, esattamente come la pressione. 4-La curva caratteristica dei compressori Il compressore di un’aviogetto deve operare a differenti quote, dunque con caratteristiche termofluidodinamiche16 del flusso in continua evoluzione. È doveroso dunque analizzare anche le condizioni fuori progetto a cui, inevitabilmente, deve andare incontro durante il suo ciclo operativo, evitando di spegnersi. Immaginiamo di operare sull’ugello chiudendolo di poco, per motivi di manovra. 16Pressione, temperatura, viscosità, etc... “Il compressore assiale: parte prima”8 La velocità locale della paletta, nelle primissime fasi, solitamente, rimane pressoché invariata, data l’inerzia del macchinario. Il triangolo di velocità d’uscita rimane, approssimativamente, identico a quello di progetto17 . Ma qual è il risultato netto? Aumentando la differenza tra la velocità tangenziale in uscita (invariata) e la velocità tangenziale in ingresso (ridotta) si ottiene un lavoro Euleriano maggiore e, dunque, un rapporto di compressione maggiore 18 . Attenzione: ridurre troppo la portata può comportare un’insufficiente quantità d’aria nel combustore, per separazione del flusso e conseguente ostruzione, e dunque lo spegnimento del motore19 Il Compressore è ben definito da una curva caratteristica. Esse sono ottenute attraverso dei specifici banchi di prova dove un motore elettrico (Drive Motor) mette in rotazione il compressore a diverse velocità e uno specifico impianto a valvole garantiscono una variazione di portata. 17Questo perché in qualche modo il canale palettare “compensa” la modifica della velocità in ingresso. 18Si poteva giungere a questo risultato anche con un diverso ragionamento: diminuendo la portata aumenta l’angolo d’incidenza della velocità relativa, a parità d’angolo d’uscita; dunque si darà una maggiore deviazione al flusso, e dunque maggior lavoro. 19Da notare inoltre che con un decremento di portata il flusso separa sul dorso, con un aumento di portata il flusso separa sul ventre (condizione ancora più critica). “Il compressore assiale: parte prima”9 Nella curva a sinistra si è ridotta la portata per misurare il rapporto di compressione, a parità di numero di giri. Si noti che la condizione di stallo è successiva alla condizione di rapporto di compressione massimo 20 . La stazione 4 è la stazione limite prima di una condizione pericolosa di possibile stallo. Superarla può comportare il rischio concreto di stallo aerodinamico del profilo. Un evento traumatico strutturalmente, in cui il compressore non pompa più la poca aria, ormai turbolenta, separata presente. 20Rendimento per stazione 1 → 0.75; 2 → 0.82; 3 → 0.87; 4 → 0.85 “Il compressore assiale: parte prima”10 La curva caratteristica può ovviamente essere estesa anche per diverse velocità angolari. Si noti che il diagramma di sopra è stato tracciato in funzione del Corrected Airflow ovvero l’informazione completa della portata, contenente anche le condizioni termofisiche del flusso ad essa associata21 : •Curva “efficiency”: i punti che giacciono sull’elisse hanno il medesimo rendimento; •Curva “surge line”: oltre questa curva s’incorre nel pericolo di stallo del compressore. Con l’usura essa s’abbassa; •Curva “operating line”: punti di funzionamento del compressore. Abbastanza distanti dalla surge line, compromesso tra rendimento e rapporto di compressione. Per ogni velocità angolare definisce dunque l’appropriata portata corretta associata; •“Design Point”: condizione di progetto (ottimizzate e di grande permanenza durante il ciclo operativo del compressore). Analizziamo la seguente curva caratteristica di un vero compressore: 21Si basti pensare come varia la portata volumetrica rispetto alla quota, anche a portata massica costante. “Il compressore assiale: parte prima”11 •In ascissa è riportata la percentuale della portata di progetto; •In ordinata è riportata la percentuale del rapporto di compressione; •Il punto di progetto è approssimativamente collocato al 100% della portata di progetto e al 100% del rapporto di compressione di progetto; •Le linee tratteggiate indicano le curve isorendimento; Ma come varia il comportamento del compressore in presenza di eventuali perdite? Risulta che a parità di portata il lavoro fornito dal compressore è minore, dunque l’incremento di pressione del fluido è ridotto rispetto al caso ideale. Il punto di massima efficienza è semplicemente il punto di distanza minima tra l due curve. La condizione di choke è la saturazione del passaggio interpalettare dovuto alla nascita di un flusso sonico al suo interno, che impedisce un’ulteriore crescita della portata. “Il compressore assiale: parte prima”12 Nel caso di accelerazione e dunque aumento di numero giri ci porteremo da una condizione operativa verso l’altra, seguendo delle particolari linee d’accelerazione e di decelerazione, nel diagramma sottostante tracciate di colore grigio22 . L'accelerazione e la decelerazione troppo rapida può portare facilmente allo stallo del compressore23 Nasce dunque il bisogno d’implementare un sistema di controllo del combustibile introdotto nel combustore, seguendo la manetta azionata dal pilota, ma che non causi più la possibilità di stallo del compressore. 22La linea grigia tratteggiata, invece, è equivalente alla già vista “operating line”. 23L’accelerazione si traduce con un aumento del combustibile in camera di combustione. Tuttavia, per inerzia, il compressore non varia istantaneamente la portata elaborata, ne tanto meno la propria velocità di rotazione, motivo per cui le condizioni di combustione saranno di temperatura maggiore densità ridotta. La turbina non riesce dunque a smaltire l’accresciuta portata volumetrica, poiché ancora “lenta”, causando un aumento di pressione nel combustore causando difficoltà al compressore nel fronteggiare questa sovrapressione. Dunque deve ridurre ulteriormente la portata portando eventualmente allo stallo, e dunque una quantità ridotta di aria fresca nel combustore, comportando lo spegnimento del rotore… In fase di rallentamento, invece, si rischia di raggiungere una situazione troppo povera di combustibile, e dunque il combustore si spegne (nonostante non vi sia stato stallo). “Il compressore assiale: parte prima”13 Per evitare lo stallo del compressore sono stati introdotti diversi sistemi: taluni operanti sul sistema combustibile, altri che agiscono direttamente sulla cinematica dei triangoli di velocità. 5-Lo sfasamento dei triangoli di velocità allo start e le Bleed Valves Spesso i compressori multistadio monalbero hanno delle problematiche allo starter, ovvero nelle condizioni d’avviamento. Per spiegare questo problema semplicemente possiamo ricorrere al principio di conservazione della massa tra la sezione in ingresso e quella in uscita del compressore. Assumendo una velocità assiale approssimativamente costante s’ottiene un rapporto tra il rapporto di aree e il rapporto di densità: Il problema avviene allo starter. Di fatto la densità tra le due aree è uguale (in quanto il compressore non ha avuto ancora modo di comprimere) e, conseguentemente, per il bilancio di massa, in uscita avremo una velocità molto elevata rispetto ad alla sezione d’ingresso. Ne consegue un triangolo di velocità completamente diverso da quello di progetto (linee tratteggiate sui triangoli di velocità)24 . 24Esiste comunque una sezione media, detta sezione di pivot, nella quale la differenza del triangolo di velocità tra condizione di starter e condizione a regima è praticamente nulla. “Il compressore assiale: parte prima”14 La sezione più critica è quella estrema25 , in quanto è possibile che avvenga del choking. Per ridurre la velocità d’ingresso, responsabile del passaggio a condizioni soniche, si può spillare della portata nelle sezioni più critiche. Ciò avviene tramite delle Bleed Valves. Lo spillamento veniva effettuato per via idromeccanica26 .Utilizzando la pressione del combustibile o dell’olio, oppure dell’aria del compressore, si azionavo delle valvole o dei diaframmi. Nell’immagine di sopra una valvola a fungo è mossa un attuatore. La posizione della valvola, in basso o in alto, chiude il condotto. Sul diaframma in alto agiscono due diverse pressioni: in alto la bassa pressione (L.P By-pass Air) dato dal fan, al di sotto l’aria di alta pressione prelevato da uno stadio di compressore finale (H.P air), tuttavia minore rispetto alla pressione atmosferica, grazie al transito in una capsula con aperture. Dunque: 1.La pressione atmosferica domina la H.P pressure, motivo per cui la valvola a fungo viene schiacciata; 2.Non essendoci pressione favorevole il “cilindro” della valvola rimane sollevato grazie a un sistema di molle. Dunque il passaggio è aperto e avviene lo spillamento; 25Si noti tuttavia che la sezione d’ingresso può essere soggetta a stallo. 26Attualmente sono in uso moderni sistemi di comando elettronico. “Il compressore assiale: parte prima”15 3.Il compressore va a regime: aumenta il numero di giri e comprime maggiormente l’aria; 4.La H.P pressure aumenta, fino a diventare dominante rispetto alla pressione atmosferica. Il diaframma si solleva, entra nel condotto e spinge la molla vincendola; 5.Si chiude il passaggio e termina lo spillamento. Il Motore è ora in moto a regime. L’utilizzo di questi sistemi è utilizzato non solo per lo starter ma anche per altre situazioni: come una rapida accelerazione o decelerazione, oppure il recupero di uno stallo. Esistono altre tipologie di Bleed Valves. Ad esempio la seguente: Il pistone in grigio sente la pressione P2.5. Essa tende ad abbassare il pistone, durante il quale una certa quantità di portata viene spillata (Discharge to the Atmosphere). Sotto il pistone arriva la pressione più alta P3, dunque prelevata a uno stadio più alto. Si nota la presenza di un orifizio (Metering Orifice) il quale genera, in vero, una piccola caduta di pressione, Px, oltre che la presenza d’una apertura esterna (Orifice). Dunque la Px è ridotta rispetto alla P2.5 (stadio inferiore). Motivo per cui il pistone è schiacciato verso il basso, garantendo lo spillamento dell’aria. Il compressore, “Il compressore assiale: parte prima”16 aumentando il numero di giri, fa aumentare P3 e conseguentemente Px, fino a giungere al caso in cui Px > P2.5. Avviene dunque l’operazione inversa: il pistone s’alza e chiude il canale di scarico, terminando definitivamente l’operazione di spillamento. L'operazione è dovuta esclusivamente a una differenza di pressione. Molto più moderne ed efficienti risultano la bleed valves elettroniche. In questo caso la bleed valve è applicata a uno stadio d’alta pressione. Essa è aperta e chiusa attraverso una pressione di riferimento prelevata a uno stadio intermedio del compressore (Ps3) passante per una valvola solenoide (Solenoid Valve): •Valvola aperta : il flusso d’aria passa e apre la Bleed Valve; •Valvola chiusa : opposto. La valvola è comandata da un Electronic Engine Control. Esso considera diversi dati (in questo caso temperatura in uscita dal fan e numero di giri) prima d’azionare la valvola solenoide27 mediante un’appropriato sistema di feedback. Vi sono ovviamente schemi più complessi per gestire non solo la fase di starter. 27Il vantaggio di questo del EEC è la capacità di considerare diversi parametri e non soltanto una semplice differenza di pressione… “Il compressore assiale: parte prima”17 Consideriamo le valvole di pressione intermedia N4,N6,N228 . Ciascun gruppo di esse è comandata da una specifica valvola a solenoide. Il solenoide muove la valvola “ancorina”, la quale si muove orizzontalmente, da sinistra verso destra. Essa consente all’aria in pressione (giungente dal compressore di terzo stadio, HP3) di andare alle valvole, chiudendo la valvola a fungo (meccanismo già visto precedentemente). Chiudendo il vent, lo scarico dell’aria, l’aria in pressione va sopra il cilindro e chiude la bleed valve. Dunque la posizione dell’ancorina comanda l’apertura o la chiusura della valvola. Il tutto, ovviamente, avviene se il solenoide viene alimentato o meno (comando elettrico). Un possibile schema meccanico per il comando delle Bleed Valves può essere il seguente: •In arancione è rappresentato il combustibile pressurizzato che passa attraverso degli ingranaggi, mettendoli in rotazione in un senso o l’altro; •Il Mechanical Engine Control è di fatto l’hardware del sistema di regolazione; •Il sistema di regolazione prende i segnali dal sistema di controllo elettronico (VBV Feedback Signal), mandati al VBV Schedule (la parte elettronica che 28Le valvole in azzurro sono invece riferite al terzo stadio d’alta pressione. “Il compressore assiale: parte prima”18 controlla le bleed valves; qui vengono elaborati segnali di posizione della valvola e di controllo); •Il motorino d’ingranaggi mette in rotazione un’albero e, a sua volta, tramite ingranaggi e coppie coniche (Bleed valve and ballscrew actuator), mette in rotazione l’albero flessibile finale; •La rotazione apre e chiude le valvole installate sull’albero flessibile; •In rosso sono indicate le aste di feedback, che dichiarano la posizione fattuale della valvola al MEC (VBV Feedback Reverser Arm); •Sono presenti meccanismi di stop (Stop Mechanism) per rallentare il finecorsa; •Il Master è il meccanismo principale che trasferisce il movimento dal motore all’albero flessibile. Successivamente il feedback viene mandato all’Engine Control Unit (parte del sistema di controllo). Quest’ultimo considerando: •N1K (n° di giri albero di bassa pressione); •N2K (… alta pressione); •Segnale della posizione degli statori a geometria variabile (VSV Control); “Il compressore assiale: parte prima”19 manda un comando all’HydroMechanical Units, il quale muove un motorino elettrico (Torque Motor) a rotazioni molto precise. Quest’ultimo determina il senso di rotazione del combustibile. Si noti la presenza di un canale speculare ridondante di sicurezza. Esso viene attivato solamente in caso in cui il canale primario non funzioni29 . Di seguito immagini esplicative di alcune Bleed Valve realmente utilizzate. È abitudine numerare gli alberi partendo dal fan: N1 → albero del compressore di bassa pressione (FAN), N2 → albero del compressore di alta pressione… Cosi via per tutti gli alberi delle turbomacchine istallate sul motore 29All’avvio del motore il sistema di controllo elettronico effettua un’auto diagnosi controllando l’efficienza dei canali. Se non dovessero esserci anomalie per entrambi, ne sceglie in maniera del tutto casuale. Altrimenti, ovviamente, sceglie il canale operativo segnalando eventuali anomali del canale difettoso. “Il compressore assiale: parte prima”20Figura 1: Il motore (Rotary Variable Differential Transformer), la bleed valve master, l’asta (road) la cui posizione determina la rotazione del gruppo, fornendo la posizione. Le linee gialle sono il feedback che va all’Engine Control Unit. “Il compressore assiale: parte prima”21 La relazione tra la posizione delle Bleed Valves e il numero di giri dell’albero del fan a bassa pressione può essere rappresentata per via grafica. I parametri d’apertura sono anche il numero di giri dell’albero d’alta pressione, il numero di Mach, la quota e la temperatura all’ingresso del fan del flusso primario. Si può notare che allo starter la valvola è aperta. A un n° di giri maggiori la valvola comincia a chiudersi fino a raggiungere la condizione completamente chiusa. La rapidità di chiusura è dettata inoltre dal parametro N2. A bassi numero di giri la valvola è aperta, ad alti numeri di giri la valvola è chiusa “Il compressore assiale: parte prima”22 Le bleed valves sono tipicamente coperte con un “capello forato”, al fine di ridurre il grande rumore prodotto30 . 6-Statori a incidenza variabile Gli statori ad incidenza variabile sono dei dispositivi che permettono di allontanare il compressore dalle condizioni di stallo. Normalmente lo statore è costituito da una cascata di palette fisse, agganciate staticamente alla cassa. Negli statori a incidenza variabile, tuttavia, esiste un perno attraverso il quale modificare l’angolo di incidenza del flusso attraversante. Si nota un perno in basso e in alto, quest’ultimo solidale a una leva, la quale è collegata all’anello all’unisono 31 . Facendo ruotare l’anello attorno al motore le leve ruotano anch’esse solidalmente, e dunque anche gli statori. 30In quanto fuoriesce da essi aria ad altissima velocità. 31In figura si nota per la sua sezione quadrata. È tipica degli stadi intermedi. “Il compressore assiale: parte prima”23 Si trovano solitamente negli stadi intermedi o primari, raramente in quelli finali32 . Hanno il compito di variare l’angolo del flusso, cercando di far rimanere sempre fasato il triangolo di velocità anche in diverse condizioni operative. Lo schema di funzionamento di uno statore a incidenza variabile è il seguente: •Il motore gira a basso numero di giri e a una bassa portata; •Per rifasare il triangolo di velocità dobbiamo aumentare l’angolo d’attacco del flusso; •Gli statori sono inizialmente chiusi per aumentare l’angolo; Ma come funziona nel dettaglio il meccanismo idromeccanico? 1.Allo starter (bassi numero di giri) lo statore (Inlet Guide Van) risulta chiuso e le bleed valves aperte; aumentando il flusso (grandi numeri di giri) avviene l’inverso: lo statore s’apre per rimanere più assiale (aumentando la portata) e le bleed valves contemporaneamente si chiudono; 2.Le posizioni di entrambi i componenti (statori e bleed valves) sono legate, attraverso delle leve, alla posizione del pistone. Il movimento del pistone comporta, sempre attraverso i leveraggi, l’apertura o chiusura di entrambi; 3.Il pistone è comandato dal bilancio delle forze agenti su esso: una molla attaccata al piattelo che schiaccia il pistone verso destro, il combustibile ad alta pressione (linea rossa) che agisce sulla faccia di destra del pistone, sulla faccia sinistra del pistone, oltre alla molla, agisce il combustibile a bassa pressione33 (linea arancione) detto Servopressure; 4.La valvola ruotante, detta Weighted Valve, misura il numero di giri: essa muove con il suo movimento una leva con un peso verso destra. Attraverso il numero di giri la Weighted Valve si sposta in un senso o nell’altro. In una rotazione lenta il Variabile Orifice risulta leggermente aperto: esso è attraversato dal combustibile di alta pressione il quale, ovviamente, subisce un calo di pressione dato dal suo attraversamento. Questo è di fatto il segnale in pressione dell’albero di alta pressione (compressore di alta). 5.Il combustibile cosi ottenuto agisce infine su un diaframma. Se la valvola gira piano, dunque è inclinata verso destra, lo sfogo rimane aperto e dunque la pressione diminuisce ulteriormente (linea viola), diventando pressione di bassa (giallo) e ritorna nella linea di combustibile; 6.La pressione, rimanendo bassa, permette al pistone di stare completamente a destra: le bleed valves rimarranno aperte, mentre le Inlet Guide Valves rimarranno chiuse. 32A differenza delle bleed valves le quali, come già detto, sono perlopiù negli stadi finali ad alta pressione. 33Semplicemente si tratta del combustibile di alta pressione mandato in una strozzatura, per poter ottenere una laminazione. “Il compressore assiale: parte prima”24 Aumentando il numero di giri avviene l’opposto. La valvola ruotante gira più velocemente e, per forza centrifuga, la valvola con il peso si allinea con il fulcro, diventando dritta. Dunque chiude le sfogo e la servopressione viola aumenta, spostando il diaframma verso destra e portandosi dietro la valvola. Lo sfogo diminuisce la pressione arancione e, per bilancio di forze, il pistone, avente a destra la stessa pressione, si sposta verso sinistra chiudendo sia le bleed valves sia gli statori, attraverso il leveraggio associato. Gli anelli all’unisono sono divisi in due parti, attaccati, quello superiore e inferiore, a una leva comandata da un attuatore. L’attuatore fa ruotare la leva attorno al fulcro muovendo gli anelli. Gli statori sono comandati dal combustibile34 il quale viene riversato in pressione negli attuatori. Essi hanno un pistone che, in base alla direzione d’ingresso del combustibile, si sposta da un verso all’altro. Ovviamente il comando del pistone è dettato dal sistema di controllo il quale, considerando anche altri dati, come numero di giri e temperatura, muove una valvola aprendo o chiudendo una delle linee. 34Si ricorda che il combustibile ha anche l’onere di governare le bleed valves. “Il compressore assiale: parte prima”25 “Il compressore assiale: parte prima”26 Vediamo ora una reale implementazione. Gli anelli all’unisono (Actuation Rings) sono azionati attraverso un sistema di leveraggio. Abbiamo due attuatori, uno di destra e uno di sinistra, e un ritorno (Feedback). Il Feedback va direttamente all’ECU il quale, come già detto, considera anche altri paramteri. Esso muove un Torque Motor (Motorino elettrico) nell’Hydromehcanil Units. Questo motorino elettrico pressurizza il combustibile mandandola in una dei due lati: sinistra o destra. Ma come funziona dal punto di vista trigonometrico lo statore a incidenza variabile? Nell’esempio mostrato si riduce il numero di giri (velocità locale della paletta). Si nota la presenza di angoli molto elevati rispetto al caso in regime, motivo per cui bisogna rifasare i triangoli. Per tale motivi gli statori ruotano, “aggiustando” i triangoli. Oltretutto si modifica la sezione di passaggio, aumentando, e dunque aumenta la velocità. Si intravede un triangolo più simile a quello a regime, con angoli d’incidenza accettabili (e dunque si riduce la possibilità di stallo). “Il compressore assiale: parte prima”27 Sono allo studio eventuali rotori a incidenza a variabile. Tuttavia si registrano difficoltà costruttive nella loro realizzazione, motivo per cui sono raramente impiegati negli attuali aviogetti. 7-Lo stallo rotante “Il compressore assiale: parte prima”28 Definiamo come stallo rotante la propagazione di uno stallo palettare35 sulle altre palette. Qual è la fenomenologia dello stallo rotante? 1.Il profilo nero stalla riducendo la portata di massa in quel canale palettare; 2.Il flusso viene deviato negli altri canali; Le palette si muovono da destra verso sinistra. 3.La pala successiva vede il flusso con un incidenza maggiore; mentre quella precedente vede il flusso con un incidenza minore36 ; 4.Dunque, man mano le palette girano a sinistra, la paletta originariamente stallata si recupera dallo stallo (causa una riduzione dell’incidenza). La paletta successiva, invece, stalla, poiché il flusso investito ha aumentato la sua incidenza. Raramente lo stallo rotante riguarda tutte le palette della cascata… Lo stallo può riguardare solo il tip delle palette oppure tutta la loro altezza. Consideriamo il seguente grafico esplicativo del comportamento di una singola paletta dopo che sia avvenuto uno stallo rotante: •Dal punto E di partenza giunge alla linea di stallo (Surge Line) per poi riscendere, liberandosi dallo stallo; •Dal punto H finale si ritorna al punto E, ripetendo ciclicamente il fenomeno, a patto che il numero di giri del compressore non sia cambiato. 35Ovvero la chiusura parziale di un canale per effetto della separazione di flusso in una delle due palette. 36Si vedano le frecce sopra le palette! “Il compressore assiale: parte prima”29 Non è detto che questo fenomeno sia severo. Solo in alcuni casi esso desta pericolo, in quanto i condotti possono essere molto ostruiti e l’aria elaborata troppo piccola per una normale combustione (spegnimento motore). “Il compressore assiale: parte prima”30 8-Lo strato limite e compressori transonici Il rapporto di compressione per uno stadio di compressore è abbastanza basso, se comparato con uno stadio di turbina. Ciò è dovuto alla presenza di un gradiente di pressione avverso il quale può causare facilmente il distacco di strato limite anche con recuperi di pressione molto bassi. Può nascere dunque una regione di separazione in cui la velocità, troppo rallentata, inverte il suo moto, creando delle zone di ricircolo in cui v’è la nascita di vortici. Il risultato netto è un incremento di perdite. Si ricorda che inizialmente lo strato limite è laminare per poi divenire turbolento, aumentando di molto il suo spessore. L’evoluzione dello strato limite è mostrato in basso, partendo dal bordo d’attacco, compreso anche la zona di transizione. Si ricorda che lo strato limite è la regione prossima alla lastra in cui gli sforzi viscosi sono responsabili del gradiente di velocità ad esso associato; l’intensità di tali sforzi è proporzionale sia alla natura fisica del fluido (viscosità) sia dal regime di moto del flusso (viscosità cinematica). “Il compressore assiale: parte prima”31 Il profilo dello strato limite è ora rappresentato. Supponiamo di avere i