Turbina compatta per elicottero ultraleggero

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
RELATORE
Marco Costanzelli
Prof. Ing. Luca Piancastelli
Anno Accademico 2008 /09
II Sessione
Scopo della trattazione e funzionamento del
turbogas
Assemblare una turbina a gas con componenti commerciali in grado di
erogare una potenza di 147 kW (200 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
Influenza della temperatura di ingresso in
turbina sulla potenza ottenuta
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=750°C T=900°C T=1000°C
160
Potenza
0,16
Pot 750
140
Rendimento
0,14
Pot 1000
100
0,12
0,00015
0,1
80
Consumo Specifico
0,0002
Pot 900
120
0,00025
0,08
η 750
0,06
η 900
scf 750
0,0001
60
scf 900
scf 1000
40
0,04
20
0,00005
0,02
Quota [m]
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
9000
8000
10000
Quota [m]
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
Quota [m]
Potenza ottenibile in condizioni di progetto
Temperatura
750 °C
900 °C
1000 °C
Potenza
72 kW
110 kW
135 kW
Consumi
0,96 kg/min
1,2 kg/min
1,44 kg/min
Potenza ottenibile in condizioni di progetto con accensione del post bruciatore
Temperatura
750 °C
900 °C
1000 °C
Potenza
86 kW
130 kW
160 kW
Consumi
1,2 kg/min
1,56 kg/min
1,81 kg/min
Portando la temperatura di ingresso in turbina fino a 1000 °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 40 % 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