Cap.6 – Caratteristiche propulsive Razzi (Rockets)

Cap.6 – Caratteristiche propulsive
- Razzi (Rockets)
- Ramjet
j
- Turbojet
- Turbofan
- Turboprop
- Motoelica
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
- Razzi (Rockets) (o anche Endoreattori)
- Ramjet
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Motoelica
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Motoelica
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbogetto
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turboprop (tipo ATR42)
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbofan
BPR (By-Pass Ratio)
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Principio
p di funzionamento
T = m& (V j − V∞ )
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
p di funzionamento
Principio
Aria si muove a vel.
V j − V∞
Energia cinetica per unità di massa
1
(V j −V∞ ) 2
2
Quest’energia cinetica è interamente dissipata
Potenza = forza × velocità
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
La potenza utile, chiamata potenza disponibile
Π d = TV∞
Ma c’è anche una quantità di potenza dissipata (aria in uscita)
1
m& (V j −V∞ ) 2
2
=> Potenza totale prodotta dal congegno propulsivo
1
= TV∞ + m& (V j − V∞ ) 2
2
ηj =
potenzadisponibile
potenzatotaleprodotta
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
ηj =
TV∞
1
TV∞ + m& (V j − V∞ ) 2
2
m& (V j − V∞ )V∞
ηj =
1
m& (V j − V∞ )V∞ + m& (V j − V∞ ) 2
2
m& (V j − V∞ )V∞
Dividendo num e denom. per
ηj =
1
1
1 + (V j − V∞ ) / V∞
2
=
1
Vj
1
(1 + )
2
V∞
2
ηj =
Vj
1+
V∞
EFFICIENZA PROPULSIVA ((Froude Efficiency)
y)
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Possiamo definire anche la spinta specifica:
T
= (V j − V∞ )
m&
Spinta prodotta per unità di portata di massa
[N/(kg/sec)] o anche dimensione di una vel. [m/s]
2
2
2
ηj =
=
=
T
2 + (V j − V∞ ) / V∞ 2 + V
2+Cj
∞
m&
Abbiamo introdotto il “jet
j velocityy coeff.”
2
ηj =
Vj
1+
V∞
2
ηj =
2+Cj
Vj
T
C j = V∞ =
−1
m&
V∞
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Vj
T
jet velocity coeff.
coeff
C j = V∞ =
−1
m&
V∞
ηj =
2
V
1+ j
V∞
2
ηj =
2 + Cj
Propulsive
efficiency
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
L’efficienza propulsiva dell’elica è maggiore di quella del getto.
- Elica: piccolo incremento di velocità ad una grossa massa aria
- Jet: grande incremento di velocità ad una piccola quantità di aria
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Principio di funzionamento
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
MOTOELICA
Cap.6 – Caratteristiche propulsive MOTOELICA
Πa
∝ d ⋅ p e ⋅ RPM
• la cilindrata con d (dall’inglese displacement)
• pressione media efficace pe
Consumo specifico
c=
pesodicombustibileconsumatoperdatoincrementoditempo
( potenzasviluppata )(incrementoditempo)
lb
[c] =
( ft ⋅ lb / s )(s )
N
[c] =
W ⋅s
Cap.6 – Caratteristiche propulsive MOTOELICA
lb
SFC =
hp ⋅ h
Unità ingegneristiche
valore tipico 0.40
0 40-00.50
50 [lb/(hp h)].
h)]
Il che
h vuoll dire
di che
h un motore
t
d 100 hp
da
h in
i funzionamento
f i
t all
massimo della potenza per un’ora di volo consuma circa 50 lb di
combustibile (cioè circa 25 Kg di combustibile). Teniamo anche
presente che il peso specifico del combustibile è circa 0.70 Kg/l ,
quindi un serbatoio da 100 l di combustibile è capace di
trasportare 70 Kg di combustibile.
Cap.6 – Caratteristiche propulsive MOTOELICA
Variazione di potenza e SFC con vel e quota
• Πa è ragionevolmente costante con la velocità
• SFC è ragionevolmente
i
l
costante con la
l velocità
l ià
Negli Stati Uniti i due principali produttori di motori alternativi aerei
sono Teledyne Continental e Textron Lycoming. I cavalli vapore a
livello del mare per questi motori generalmente variano da 75 a 300
hp.
p Per q
questi motori un tipico
p
valore di SFC è 0.4lb di carburante
consumate per cavallo vapore per ora.
Eff tt quota
Effetto
t
Πa
ρ
=
Π a 0 ρ0
oppure
Πa
ρ
= 1.132 − 0.132
Πa0
ρ0
Cap.6 – Caratteristiche propulsive MOTOELICA
p
g ((turbocompressi)
p
)
Motori Supercharged
Cap.6 – Caratteristiche propulsive MOTOELICA
Πa=Πao σ ϕ
Q i di effetto
Quindi
ff
della
d ll quota e del
d l grado
d di ammissione
i i
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
Π d = η pr Π a
Il rendimento dell
dell’elica
elica è una
funzione del rapporto di
avanzamento J definito come
V∞
J=
ND
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
(rω ) tip = πND
V∞
V∞
=
rω r (2πN )
(angolo vel locale)
V∞
V∞
J
⎛ V∞ ⎞
=
=
=
⎜
⎟
⎝ rω ⎠ tip (D / 2 )(2πN ) πND π
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
(rω ) tip = πND
V∞
V∞
=
rω r (2πN )
(angolo vel locale)
V∞
V∞
J
⎛ V∞ ⎞
=
=
=
⎜
⎟
⎝ rω ⎠ tip (D / 2 )(2πN ) πND π
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
• Elica
Eli a passo variabile
i bil
• Elica a giri costanti
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
Cap.6 – Caratteristiche propulsive ELICHE
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbojet
j
T = (m& air + m& fuel )V j − m& airV∞ + ( pe − p∞ )Ae
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbojet
j
T = (m& air + m& fuel )V j − m& airV∞ + ( pe − p∞ )Ae
cj =
pesodelcarburanteconsumatoperdatoincrementoditempo
(spp int asviluppat
pp a )(incrementoditempo
p )
[ ]
N
1
cj =
=
N ⋅s s
lb
1
[SFCJ ] =
=
lb ⋅ h h
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbojet
j
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbojet
j
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbojet
j
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbojet
TSFC = 11.0
0 + kM ∞
SFCJ è costante con la quota
Spinta cost. con V
Effetto quota
T
ρ
=
T0 ρ 0
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
ptotal ⎛ γ − 1 2 ⎞
= ⎜1 +
M ⎟
2
p static ⎝
⎠
T
TMach1
Turbojet
γ / (γ −1)
Condizioni supersoniche
= 1 + 1.18(M ∞ − 1)
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbofan
BPR : apporto di By-Pass o anche rapporto di diluizione
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbofan
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbofan
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbofan
- Low BPR
- HIGH BPR
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Variazione Spinta con Vel e quota
Condizioni di decollo
T
= 1 − 2.52 × 10 −3 V∞ + 4.34 × 10 −6 V∞2
TV =0
Turbofan
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Variazione Spinta con Vel e quota
1.00
Turbofan
Condizioni di crociera e salita
To _cr = To ⋅ 0.80
0.80
T/Tcr o
T/Tcr_o
10000 ft
z=10000
z=0
0.60
z=20000 ft
z=25000 ft
0 40
0.40
z=30000 ft
z=35000 ft
z=40000 ft
0.20
z=45000 ft
0.00
0.00
0.20
M
0.40
0.60
0.80
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Variazione Spinta con Vel e quota
K MZ
Turbofan
Condizioni di crociera e salita
T
=
To _ cr
z=0 ft
(S/L) KMZ=T/Tcr_o
KMZ=T/Tcr o = 1.00
1 00 –1.037
1 037 M + 0.582
0 582 M2
z= 10000 ft
KMZ=T/Tcr_o = 0.81 –0.768 M + 0.474 M2
z= 20000 ft
KMZ=T/Tcr_o = 0.57 –0.261 M + 0.084 M2
z= 25000 ft
KMZ=T/Tcr_o = 0.39
z= 30000 ft
KMZ=T/Tcr_o = 0.33
z= 35000 ft
KMZ=T/Tcr_o = 0.27
z= 40000 ft
KMZ=T/Tcr_o = 0.21
z= 45000 ft
KMZ=T/Tcr o = 0.16
KMZ=T/Tcr_o
0 16
T = K MZ ⋅ 0.80 ⋅ To ⋅ ϕ
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Variazione Spinta con Vel e quota
Turbofan
Condizioni di crociera e salita
E’ abbastanza valida
E
T ⎛ ρ ⎞
= ⎜⎜ ⎟⎟
T0 ⎝ ρ 0 ⎠
m
Alle alte quote :
T = To ⋅ 0.80 ⋅ σ ⋅ ϕ = To _ cr ⋅ σ ⋅ ϕ
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbofan
Variazione Consumo specifico con Vel e quota
ct = B(1 + kM ∞ )
SFCJ=0.50-0.70 lb/(lb h)
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbofan
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turbofan
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turboelica
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turboelica
Π d = (Tp + T j )V∞
Π d = η p Π a + T j V∞
Equivalent Shaft Horsepower (Pot all’albero equivalente)
Π d = η p Π ea
η p Π ea = η p Π a + T j V∞
Π ea = Π a +
T j V∞
ηp
In ultimo forniamo una utile regola basata sull’esperienza pratica: in condizioni statiche
(motore che opera con l’aeroplano a velocità nulla al suolo) una turboelica produce circa
2.5 lb di spinta per cavallo vapore all’albero. Questa osservazione va utilizzata se
dobbiamo considerare la spinta di un motore turboelica in decollo.
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
EFFETTO RAM !!
Turboelica
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turboelica
EFFETTO RAM !!
Kv = 1.00 – 0.0014 * ((V/100)) +0.00827 * ((V/100))2
con V espressa in Km/h
1.30
1.20
Kv
1.10
1.00
0.90
0
100
200
300
V [Km/h]
400
500
600
Cap.6 – Caratteristiche propulsive Turboelica
EFFETTO Q
Quota
⎛ρ⎞
Πa
= ⎜⎜ ⎟⎟
Π a , 0 ⎝ ρ0 ⎠
O anche …
n
n = 0.7
Πa ⎛ ρ ⎞
= ⎜⎜ ⎟⎟ = σ
Π ao ⎝ ρ0 ⎠
Π a = Π ao ⋅ ϕ ⋅ σ ⋅ Kv
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Turboelica
Consumo specifico
SFC=0.6-0.7
lb
h ⋅h
hp
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
ELICA
800
P
rendimento dell'elica 0.80
o
600
Π [hp]
Πd =
o
η
Pot disponibile a quota 0
P
Motore Pratt&Whitneyy PT6A-27.
(Potenza di targa, cioè potenza al
decollo, o anche massima a quota
0=620 hp). Rendimento dell’elica a
passo variabile
ηP =0.80. Tener
presente che Td=Pd/V fornisce Td in
[N] se Pd è in [Watt] e V in [m/s].
400
Potenza disponibile a quota 5000 m (sigma=0.60)
3000
spinta disponibile a quota 0 : Td=Pd/V
200
2500
2000
spinta disponibile a 5000 m (sigma=0.60)
Td [Kg]
0
0
100
200
300
400
500
600
1500
V [Km/h]
1000
500
0
0
100
200
300
V [km/h]
400
500
600
Cap.6 – Caratteristiche propulsive
TURBOFAN
To=8300
To
8300 Kg
8000
Motore turbofan JT9-D
(M
(Motore
d l velivolo
del
li l
MD-80). Spinta massima
al decollo To
To=8300
8300 Kg.
Kg
Td [Kg]
6000
Td=0.80 * To * (sigma)
4000
Td massima in volo a quota di 35000 ft (sigma=0.31)
Potenza disponibile in volo alla quota di 35000 ft
8000
2000
Pd=Td * V
Pd [hp]
6000
0
0
200
400
600
800
1000
1200
4000
2000
0
0
200
400
600
V [Km/h]
800
1000
1200
Cap.6 – Caratteristiche propulsive