Studio di massima di un sistema di sovralimentazione

per un motore Diesel aeronautico

Tesi di laurea di Andrea Fini

Problemi relativi alla trasformazione di un motore Diesel per la propulsione

terrestre in motore Diesel aeronautico

• Il rapporto potenza/peso deve essere migliorato• La severità delle norme di certificazione/affidabilità

impone la riprogettazione di molti elementi• La normale centralina va sostituita col più affidabile

sistema FADEC• Gli scambiatori di calore devono essere ridimensionati• Il sistema di sovralimentazione e di interrefrigerazione

deve essere interamente cambiato per consentire il ripristino della potenza in quota

Il motore oggetto dello studio è un 1900 cc turbosovralimentato con intercooler già modificato nella meccanica montato su banco di spinta presso

l’aeroporto di Forlì

• La potenza è stata portata da 105 a 165 cv (wastegate, turbo, pistoni, iniettori)

• Sono state effettuate modifiche al carter per consentire il passaggio del lubrificante verso il riduttore che ha sostituito il cambio

• E’ stato aggiunto un riduttore per l’elica

• E’ stata ridisegnata la coppa

Nei motori aeronautici si usa rimediare all’abbassamento della densità dell’aria

in quota e quindi al relativo calo di potenza con una sovralimentazione detta

“di ripristino”Questo vale per i motori a benzina: nei turbodiesel common

rail è già presente una sovralimentazione “di potenza” a terra: in particolare nel nostro caso tale sovralimentazione è

già piuttosto spinta, fornisce infatti un rapporto di compressione pari a 3. La necessità di affiancare alla

sovralimentazione di potenza quella di ripristino quota impone la ricerca di un sistema di sovralimentazione con β

particolarmente elevato (specifiche = 10000 piedi)

Il compressore attuale non è in grado di fornire il rapporto di compressione richiesto con rendimenti accettabili

• I turbocompressori sul mercato capaci di fornire β sufficienti sono progettati per portate d’aria troppo alte per il nostro caso: questo è dovuto alla novità dell’applicazione

• Nell’esempio sono visibili i punti di funzionamento per diverse quote e diversi regimi

Si è studiato dunque l’accoppiamento di un compressore diverso con il motore, confrontando i punti di funzionamento del motore con le mappe caratteristiche dei compressori disponibili sul mercato: tale confronto è stato esguito con l’aiuto del software TurboCalc

I compressoriprogettati per lagiusta portatainvece non

forniscono unrapporto

di compressionesufficienti, essendopensati perper una sola dellesovralimentazione

di ripristino non dipotenza

Alcune aziende si sono dette interessate allo sviluppo di un compressore

ad hoc per il caso, fornendo anche la mappa di un compressore in studio: tale compressore non è

apparso comunque in grado di fornire prestazioni ottimali

La prima soluzione alternativa al sistema con turbocompressore è stata quella di adottare una

doppia sovralimentazione disponendo un compressore volumetrico in serie a quello centrifugo

• Sono stati dunque scelti un nuovo turbocompressore, un compressore volumetrico tipo Elliott-Lysholm, e un sistema di trasmissione a cinghia tipo Poly-V: con tale configurazione sarebbe possibile compensare una quota di almeno 10000 feet (3048m)

sovralimentazione mista compressore volumetrico + turbocompressore

• Secondo i calcoli il sovralimentatore volumetrico andrebbe a diminuire fortemente il rendimento globale, “snaturando” il motore Diesel: esso infatti non potrebbe essere azionato dai gas di scarico ma andrebbe fatto trascinare tramite una trasmissione a cinghia, sottraendo quindi potenza direttamente all’albero motore; inoltre aumenterebbe la temperatura dei gas di scarico e quindi la perdita di energia

• Inoltre la complessità del sistema potrebbe porre dei problemi di certificazione

La seconda soluzione studiata è stata quindi quella di disporre due

compressori centrifughi in serie azionati entrambi dai gas di scarico

• Sono stati quindi selezionati due turbocompressori Turbonetics in base alle mappe: secondo i calcoli con tale configurazione sarebbe possibile compensare una quota superiore a 13000 ft

Per il controllo dei due turbocompressori in serie si è scelto l’utilizzo di una waste gate sulla prima turbina attraversata dai gas di scarico: in questo modo con un solo attuatore si possono regolare le portate di

entrambe le turbine

• Il comando della waste gate non sarà affidato alla sola capsula barometrica che risentirebbe unicamente delle pressioni esterne

• Per evitare fenomeni di instabilità durante il funzionamento dei turbocompressori, si inserisce un convertitore di impulsi tra le due turbomacchine

L’uso di due compressori impone in ogni caso l’utilizzo di due

interrefrigeratori in alluminio del tipo ad alette ondulate

c

kk

a

cA

p

pp

TT

TcmQ

η1

1

1

���

�

�

���

�

�

−���

�

�=∆

∆=−

&&

• Tali scambiatori sono stati dimensionati partendo dalla potenza termica da smaltire, che è stata calcolata in base alla portata d’aria, a β e al rendimento del compressore

Per lo stato fisico dell’aria abbiamo utilizzato le specifiche fornite: velocità 50 nodi,

temperatura 309 K (36 °C), mentre il fattore di compattezza degli scambiatori è stato

assunto pari a 750 1−m

• Lo spessore del pacco radiante è stato quindi assunto pari a 60 mm: l’ingombro frontale degli intercooler comprensivi di collettori è stato quindi stimato in 0.03 2m

È stato successivamente dimensionato il radiatore dell’impianto di refrigerazione

del motore• Per limitare gli ingombri,

è stata studiata una disposizione degli scambiatori che prevede la disposizione degli intercoolers affiancati davanti al radiatore: in tal modo l’aria che giunge al radiatore è più calda di quella ambiente

Per determinare il coefficiente globale di scambio termico tra radiatore e aria a valle degli intercooler SONO STATE

ESEGUITE DELLE PROVE DI LABORATORIO misurando la velocità dell’aria prima e dopo gli intercoolers con un

anemometro a filo caldo• È stato creato con una

soffiante un flusso d’aria la cui velocità è stata modificata interponendo una strozzatura: ciò si è reso necessario per avere a disposizione un numero sufficiente di punti per l’interpolazione

Le dimensioni del radiatore sono state poi impostate in modo da ricercare lo spessore del pacco radiante

tale che l’ingombro frontale del radiatore si sovrapponesse con quello degli interrefrigeratori affiancati, lasciando abbastanza spazio per i vari

condotti• A questo scopo si è usato

un processo iterativo perché il coefficiente globale di scambio termico e quindi la superfici di scambio sono funzione dello spessore stesso

• Lo spessore risultante è risultato pari a 203 mm

Dopo la scelta dei turbocompressori, degli interrefrigeratori e del radiatore, è stato necessario ristudiare la disposizione dell’impianto in toto, tenendo conto dell’aumento della lunghezza totale dei condotti e della posizione degli scambiatori, che deve rimanere sufficientemente distante dall’elica per non risentire della turbolenza da essa prodotta e posizionata nella parte inferiore del velivolo per fruire delle massime

pressioni possibili

Soluzione originale con singolo compressore

Lay-out del “powerpack” per la soluzione con doppio turbocompressore

e doppio interrefrigeratore

Tale disposizione è stata studiata per una configurazionead elica “spingente”, per

l’elica traente è sufficienteInvertire l’ordine degli scambiatori

Conclusioni

• In sintesi si è stabilito che la soluzione migliore al problema della sovralimentazione del motore sarebbe l’utilizzo di un compressore progettato ad hoc con un singolo intercooler

• In assenza di tale possibilità è necessario ricorrere alla soluzione con due turbocompressori in serie con doppio intercooler che è la più soddisfacente in termini di rendimento

• Con una opportuna disposizione degli scambiatori è anche possibile limitare gli ingombri dell’impianto così modificato