docPotenze e rendimenti - Politecnico di Milano
download 
Reclamo Transcript
Potenze e rendimenti - Politecnico di Milano
Promemoria lezione AA 2007-2008 Meccanica del Volo Rendimento propulsivo Tipi di propulsione Teorema di Froude Teoria dell’elica Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Jet engines Meccanica del Volo Compressore centrifugo Compressore assiale Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Turbofan engines Low-bypass Meccanica del Volo L’uso di turbofan, con piccola o grande diluizione, riduce I consumi e contribuisce a ridurre il livello di rumore High-bypass Bypass ratio 2 - 5 Bypass ratio 6 - 9 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Turboshaft engine Meccanica del Volo turboelica Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Statoreattore scramjet Meccanica del Volo supersonic combustion ramjet Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica del Volo Type Advantages Turbojet Simplicity of design, efficient at A basic design, misses many supersonic speeds (~M2) improvements in efficiency and power for subsonic flight, relatively noisy. Turbofan Quieter due to greater mass flow and lower total exhaust speed, more efficient for a useful range of subsonic airspeeds for same reason, cooler exhaust temperature. High bypass variants exhibit good fuel economy. Turboprop Turboshaft High efficiency at lower Limited top speed (aeroplanes), subsonic airspeeds (300 knots somewhat noisy, complex transmission plus), high shaft power to weight Scramjet Few mechanical parts, can Still in development stages, must have operate at very high Mach a very high initial speed to function numbers (Mach 8 to 15) with (Mach >6), cooling difficulties, very poor thrust/weight ratio (~2), extreme good efficiencies aerodynamic complexity, airframe difficulties, testing difficulties/expense Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Disadvantages Greater complexity (additional ducting, usually multiple shafts) and the need to contain heavy blades. Fan diameter can be extremely large, especially in high bypass turbofans such as the GE90. More subject to FOD and ice damage. Politecnico di Milano The Saturn V Function Manned LEO and Lunar launch vehicle Manufacturer Boeing, North American, Douglas ,IBM Country of origin United States Meccanica del Volo Size Height 110.6 m (363 ft) Diameter 10.1 m (33 ft) Mass 3,038,500 kg (6,699,000 lb) Stages 3 Capacity Payload to LEO 118,000 kg Payload to Lunar orbit 47,000 kg Associated Rockets Launch History Popularly known Moon Rocket as the Launch sites LC-39, Kennedy Space Center Total launches 13 (including INT-21) Maiden flight November 9, 1967 (SA-501) Last flight December 6, 1972 (May 14, 1973 - INT-21) First Stage - S-IC Engines 5 Rocketdyne F-1 Thrust 34.02 MN (7,648,000 lbf) Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Confronto operativo Meccanica del Volo Specific impulse as a function of speed for different jet types with kerosene fuel Comparative suitability for (left to right) turboshaft, low bypass and turbojet to fly at 10 km altitude in various speeds. Horizontal axis speed, m/s. Vertical axis displays engine efficiency. Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica del Volo Variazione della quantità di moto con variazione di massa Vettore quantità di moto Velocità Forza aerodinamica Spinta esterna Peso Massa attuale del velivolo Variabile per consumo di carburante Il carburante si allontana dal velivolo con velocità relativa di efflusso e possiede una velocità rispetto al suolo Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica del Volo Variazione della quantità di moto con variazione di massa spinta totale Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Interpretabile come spinta interna Politecnico di Milano Meccanica della propulsione come variazione di q. di m. Flusso assiale ingresso Portata d’aria Portata di combustibile Meccanica del Volo Portata totale uscita Flusso di quantità di moto in ingresso Flusso di quantità di moto in uscita Spinta o trazione Motoelica Endoreattore Esoreattore Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica della propulsione come variazione di q. di m. Meccanica del Volo Propulsore è inteso globalmente come dispositivo che varia la q. d. m. di una o più portate di gas in ingresso, accelerandole in uscita con velocità relativa di ejezione ingresso Spinta uscita Potenza disponibile available Potenza perduta Energia cinetica per unità di tempo dei gas in uscita Potenza totale scambiata Rendimento propulsivo Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica della propulsione come variazione di q. di m. Motoelica ingresso Osservatore assoluto Meccanica del Volo uscita Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica della propulsione come variazione di q. di m. Esoreattore ingresso Osservatore assoluto Meccanica del Volo uscita Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica della propulsione come variazione di q. di m. Endoreattore ingresso Osservatore assoluto Meccanica del Volo uscita Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Propulsione ad elica Meccanica del Volo The propellers of C 130 Hercules Rotating the Hamilton Standard 54H60 propeller on a US Navy EP-3E Orion's four engine as part of pre-flight checks. The Orion is an antisubmarine warfare aircraft Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica del Volo Elica a passo variabile Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica del Volo Wright brothers The twisted airfoil (aerofoil) shape of modern aircraft propellers was pioneered by the Wright brothers when they found that all existing knowledge on propellers (mostly naval) was determined by trial and error and that no one knew exactly how they worked. USPS stamp depicting the "Flight." They found that a propeller is essentially the same as a wing and so were able to use data collated from their earlier wind tunnel experiments on wings. They also found that the relative angle of attack from the forward movement of the aircraft was different for all points along the length of the blade, thus it was necessary to introduce a twist along its length. Their original propeller blades are only about 5% less efficient than the modern equivalent- some 100 years later Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica del Volo Flusso indotto dall’elica Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Propulsione ad elica Teorema di Froude Meccanica del Volo Le prestazioni stazionarie di un’elica in via preliminare possono essere spiegate ricorrendo allo schema semplificato dell’applicazione del teorema di variazione della quantità di moto che va sotto il nome di Teorema di Froude. Da questo punto di vista l’elica è vista come un dispositivo che impartisce alla massa d’aria elaborata un’accelerazione secondo la direzione dell’asse dell’elica stessa. Lo schema che ne risulta è uno schema di flusso assiale in cui l’elica è interpretata come un disco attuatore di spinta, di continuità per la velocità e di discontinuità per la pressione. Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Propulsione ad elica Equazione di continuità Conservazione della massa Teorema di Froude Osservatore relativo trasla con la velocità Meccanica del Volo Flusso incomprimibile In corrispondenza del disco attuatore l’area del disco è pari all’area spazzata dalle pale dell’elica Continuità di velocità attraverso il disco attuatore Discontinuità di pressione attraverso il disco attuatore Espansione fino alla pressione ambiente Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Propulsione ad elica Osservatore relativo trasla con la velocità Teorema di Froude Trazione come variazione di quantità di moto Meccanica del Volo Trazione come integrazione della discontinuità di pressione Teorema di Bernoulli fra le sezioni 0 e 1 Teorema di Bernoulli fra le sezioni 2 e 3 Continuità di velocità attraverso il disco attuatore Espansione fino alla pressione ambiente Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Propulsione ad elica Osservatore relativo trasla con la velocità Teorema di Froude Trazione come variazione di quantità di moto Meccanica del Volo Trazione come integrazione della discontinuità di pressione Dall’applicazione del teorema di Bernoulli Espressioni della trazione Il flusso viene accelerato per metà a monte e per metà a valle dell’elica Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Propulsione ad elica Una stessa trazione può essere prodotta con una portata elevata o con un grande incremento di velocità Meccanica del Volo Dall’applicazione del teorema di Bernoulli Rendimento propulsivo Grande portata Basso carico sul disco Piccola portata Elevato carico sul disco Confronto a parità di trazione e velocità di traslazione rivela che il rendimento propulsivo è maggiore per carichi sul disco minori Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica del Volo C O R DA Angolo di calettamento e passo costruttivo PIANO DI ROTAZIONE p passo 2πr Ogni sezione dell’elica può avere un calettamento ( passo p) diverso Passo convenzionale quello al 75% del raggio della pala Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Triangolo delle velocità Meccanica del Volo La velocità effettiva è somma delle velocità di: rotazione avanzamento indotta La velocità indotta è assunta ortogonale alla velocità effettiva Proiezione in direzione di Angolo di influsso geometrico Angolo di influsso aerodinamico Proiezione in direzione di Angolo di calettamento Angolo di incidenza geometrica Angolo di incidenza indotta Angolo di incidenza effettiva Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Ripartizione della potenza Meccanica del Volo Relazioni trigonometriche Trazione elementare Componente tangenziale elementare Potenza elementare scambiata all’albero Potenza indotta Potenza passiva Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Potenza disponibile Politecnico di Milano Meccanica del Volo Teoria dell’elemento di pala Diametro dell’elica Numero di giri al minuto Rapporto di funzionamento Coppia elementare Calettamento di riferimento Numero di pale Trazione Coppia Potenza Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Formule di Renard Meccanica del Volo Diagrammi del coefficiente di trazione coppia e rendimento in funzione del rapporto d’avanzamento per un assegnato valore del passo dell’elica Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica del Volo Passo variabile Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica del Volo Diagramma funzionale tipico di un elica Diagrammi del coefficiente di trazione coppia e rendimento in funzione del parametro d’avanzamento per un assegnato valore del passo dell’elica Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale coefficiente di potenza e rendimento propulsivo in funzione del parametro d’avanzamento al variare del passo dell’elica Politecnico di Milano Meccanica del Volo Passo variabile rendimento propulsivo Al variare del rapporto di funzionamento, variando il passo dell’elica, è possibile ottenere Il massimo rendimento propulsivo che risulta praticamente indipendente da Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Diagramma funzionale dell’elica Meccanica del Volo Assegnati il calettamento ed il parametro di funzionamento dell’elica si ottengono i valori dei coefficienti di potenza e trazione e quindi il rendimento propulsivo Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Digrammi del coefficiente di potenza Meccanica del Volo Assegnati il calettamento ed il parametro di funzionamento dell’elica si ottengono i valori dei coefficienti di potenza ed il rendimento propulsivo e quindi il coefficiente di trazione dell’elica. Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Potenza e trazioni disponibili Approssimazione di potenza costante con la velocità Meccanica del Volo trazione inversamente proporzionale alla velocità Variazione approssimativa della potenza della motoelica con la quota Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Meccanica del Volo Potenza e trazioni disponibili Approssimazione di trazione costante con la velocità Variazione approssimativa della trazione del turbogetto con la quota Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Potenza e trazioni disponibili Approssimazione di potenza costante con la velocità Meccanica del Volo Approssimazione di trazione costante con la velocità Variazione approssimativa della potenza della motoelica con la quota Variazione approssimativa della trazione del turbogetto con la quota Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Prestazioni dei propulsori Meccanica del Volo Variazione tipica della trazione con la velocità Approssimazioni di trazione o potenza costanti Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Potenze e rendimenti Il rendimento propulsivo di un propulsore misura l’efficienza di un propulsore nella trasformazione di energia/potenza meccanica in energia/potenza utile alla propulsione Potenza meccanica, scambiata dal motore con il fluido Meccanica del Volo Potenza utile Potenza dissipata Rendimento propulsivo Il rendimento termico di un motore a combustione interna misura l’efficienza della trasformazione di energia/potenza termica in energia/potenza meccanica Flusso termico, potenza termica Potere calorifico specifico per unità di massa Rendimento termico Rendimento totale Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Rendimento termico e propulsivo Potere calorifico di alcuni combustibili Meccanica del Volo Fuel type MJ/L MJ/kg Regular Gasoline 34.80 ~47.00 150,100 125,000 Ethanol 23.50 31.10 101,600 84,600 Methanol 17.90 19.90 77,600 64,600 Gasohol (10% ethanol + 90% gasoline) 33.70 145,200 120,900 Diesel 38.60 166,600 138,700 Biodiesel 35.10 39.89 151,600 126,200 Vegetable oil (using 9.00 kcal/g) 34.32 37.66 147,894 123,143 Aviation gasoline 33.50 46.08 144,400 120,200 Jet fuel, naphtha 35.50 46.60 153,100 127,500 Jet fuel, kerosene 37.60 162,100 135,000 Liquefied natural gas 25.30 109,000 90,800 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale ~55.00 BTU/Imp gal BTU/US gal Politecnico di Milano Motoelica Potenza scambiata, Shaft or Brake horse power Pressione d’alimentazione Meccanica del Volo Formule approssimate Velocità angolare Andamento con la quota Consumo specifico BSFC brake specific fuel consumption Potenza disponibile, available power Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano Turbogetto Velocità Pressione Meccanica del Volo Temperatura Formule approssimate Andamento con la velocità e quota Consumo specifico TSFC thrust specific fuel consumption Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
Documenti analoghi
Short Course on Multibody Dynamics
operational jet-powered fighter aircraft. It was produced in World War II and saw
action starting in 1944 in bomber/reconnaissance and fighter/interceptor roles.
Officially named Schwalbe, because ...
Meccanica del Volo Promemoria lezione
pressure measurements made of supersonic combustion in The University of Queensland's
T4 shock tunnel, and that which is observed in flight.
This correlation is being developed with a scramjet conf...
