Propulsione Aerospaziale Prese d`aria supersoniche

Politecnico di Milano
Facoltà di Ingegneria Industriale
Corso di Laurea in Ingegneria
Aerospaziale
Insegnamento di
Propulsione Aerospaziale
Anno accademico 2011/12
Capitolo 4
sezione a2
Prese d’aria supersoniche
[1-14]
Introduzione alle prese d’aria supersoniche
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Anche nei velivoli supersonici il flusso che abbandona la presa d’aria
deve essere subsonico. In condizioni di volo supersonico sono
necessariamente implicate onde d’urto, che sono processi irreversibili
che dissipano energia, e quindi un fondamentale obiettivo di progetto
diventa quello di rendere minimo l’incremento di entropia del processo.
La presa deve inoltre avere una bassa resistenza aerodinamica
esterna e deve operare, stabilmente ed efficientemente, in un ampio
intervallo di angoli di incidenza.
Le configurazioni più classiche di prese d’aria supersoniche sono le
seguenti:
- Presa supersonica di Pitot (presa ad onda d’urto normale);
- Presa supersonica a spina (presa ad onda d’urto conica);
- Presa supersonica convergente-divergente.
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Cap. 4 sez. a2 / 01
Presa supersonica di Pitot (a onda d’urto normale)
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Il punto di progetto si ha quando l’onda d’urto
normale è posizionata alla sezione di ingresso
della presa. L’onda d’urto fornisce quindi un flusso
subsonico alla presa a compressione interna
(subsonica); per numeri di Mach (M>1) piuttosto
bassi la perdita di pressione totale è contenuta
(figura a).
Se il motore richiede una portata d’aria inferiore
rispetto al valore di progetto, l’eccesso d’aria viene
spillato. Per rendere possibile lo spillamento
d’aria, l’onda d’urto normale si stacca e si forma
un’onda d’urto curva a monte della presa. Lo
spillamento incrementa significativamente la
resistenza esterna (figura b).
Viceversa se il motore richiede una portata d’aria
superiore (diminuisce cioè la pressione alla
sezione di scarico della presa), l’onda d’urto
normale viene ingoiata dalla presa e si formano
onde d’urto oblique come illustrato nella figura c.
Per numeri di Mach superiori a 1.4 questa presa
diventa improponibile per eccessive perdite.
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Cap. 4 sez. a2 / 02
Presa supersonica a spina
(ad onda d’urto conica)
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In questa presa un corpo centrale, la spina conica, è inserita all’interno della presa
d’aria. La forte diminuzione di pressione totale attraverso un’onda d’urto normale può
essere ridotta decelerando il flusso attraverso una o più onde oblique (o coniche),
seguite da un’onda d’urto normale che risulta di minore intensità poiché il flusso a monte
è più lento, essendo stato rallentato dall’onda obliqua (o conica).
Il flusso supersonico che impatta sulla spina conica dà luogo alla formazione di un’onda
d’urto conica. L’aria, compressa dall’onda d’urto conica, entra nella presa subsonica a
compressione interna attraverso la sezione anulare compresa tra la superficie della
spina centrale e la carenatura della presa. In condizioni di progetto l’onda d’urto normale
è posizionata all’ingresso della presa come indicato in figura.
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Cap. 4 sez. a2 / 03
Presa supersonica a spina
(ad onda d’urto conica)
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La configurazione illustrata nella pagina precedente viene definita presa a
compressione esterna, poiché tutta la diffusione supersonica ha luogo all’esterno
della carenatura. La spina conica impone una deviazione al flusso d’aria supersonico,
rispetto alla direzione iniziale del flusso, generando l’onda d’urto conica. Si osservi
che l’onda d’urto normale è perpendicolare alla direzione del flusso che è stato
deviato dall’onda conica e non alla direzione della corrente libera. La compressione
supersonica si realizza all’esterno, prima che l’aria entri nella presa subsonica; la
sezione anulare di ingresso del flusso d’aria nella presa è molto più piccola della
sezione A0 della corrente libera, significando che la compressione realizzata
dall’onda d’urto conica è piuttosto intensa.
La posizione dell’onda d’urto normale rispetto alla sezione di ingresso è
fondamentale nel funzionamento della presa. Tale posizione dipende dal numero di
Mach di volo, dal rapporto aria/combustibile, dal rendimento di combustione, dall’area
della sezione di efflusso dell’ugello.
Si distinguono tre modalità di funzionamento: (figura alla pagina seguente)
funzionamento in condizioni critiche: onda d’urto normale posizionata alla
sezione di ingresso della presa.
funzionamento in condizioni supercritiche: onda d’urto normale catturata
dalla presa, all’interno della presa stessa.
funzionamento in condizioni subcritiche: onda d’urto normale spostata a
monte verso il vertice della spina conica.
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Cap. 4 sez. a2 / 04
Presa supersonica a spina
(ad onda d’urto conica)
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La schematizzazione delle tre diverse condizioni di funzionamento è rappresentata
nella figura seguente:
Si osservi che in condizioni supercritiche il funzionamento della presa è complicato
dall’insorgenza di onde d’urto oblique, generate dalla deviazione del flusso
supersonico all’ingresso della presa. L’onda d’urto normale è in genere più intensa e
quindi lo scadimento di rendimento della presa si accentua.
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Cap. 4 sez. a2 / 05
Presa supersonica a onde d’urto oblique
(a compressione esterna)
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L’utilizzo delle onde d’urto oblique presenta il vantaggio (rispetto al solo utilizzo di un’onda
d’urto normale) di avere minori perdite di pressione totale (le onde d’urto oblique sono
meno intense di quelle normali). La stessa compressione effettuata tramite un unico urto
normale o con n urti obliqui seguiti da un urto normale (in quest’ultimo caso tutti gli urti sono
di eguale intensità) comporta un rendimento d tanto più alto quanto più alto è il numero di
1 quando n
; in questo caso ideale la compressione
urti obliqui (n). Al limite d
risulterebbe essere isoentropica.
Si osserva che la lunghezza della presa e l’angolo di rotazione del flusso, ovvero pesi e
ingombri crescono al crescere di n, per cui è necessario scendere a un compromesso tra
l’efficienza della presa dinamica e le sue dimensioni.
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Cap. 4 sez. a2 / 06
Presa supersonica a spina
(a onda d’urto obliqua)
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Poiché la sola compressione esterna può condurre a elevate rotazioni del flusso con
conseguente incremento della resistenza aerodinamica, si può utilizzare una presa a
compressione mista. In questo caso parte della compressione supersonica avviene
all’interno di un condotto convergente divergente con numeri di Mach iniziali non troppo
elevati (problema di avviamento della parte interna).
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Cap. 4 sez. a2 / 07
Presa supersonica convergente-divergente
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(1/7)
Sembrerebbe ovvio che invertendo il flusso in un ugello convergente-divergente, si
possa ottenere una compressione isoentropica. Purtroppo è praticamente impossibile
realizzare tale compressione senza onde d’urto, a causa dell’avversa interazione tra il
flusso principale e lo strato limite, in virtù del gradiente di pressione positivo.
Fondamentale, e critico, è il problema dell’avviamento di questa presa, descritto nella
sequenza di figure che seguono.
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Cap. 4 sez. a2 / 08
Presa supersonica convergente-divergente
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(2/7)
Le lettere corrispondono a quelle delle figure alla pagina precedente
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Cap. 4 sez. a2 / 09
Presa supersonica convergente-divergente
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(3/7)
Fig. (a) : M0<1; per bassa velocità subsonica il flusso è interamente subsonico.
Fig. (b) : M0<1; all’aumentare di M0 si verifica una condizione per cui M0<1 e Mt=1. Il
campo di flusso davanti alla presa non è più influenzato dalle condizioni a valle della
gola e dipende solo da M0 e dal rapporto delle aree della presa A1/At.
Fig. (c) : M0=1; l’area di cattura A0 uguaglia l’area di gola At. Se A1/At è molto grande
si verifica un forte spillamento di aria a cui si associa una grande resistenza.
Fig. (d) : M0>1; si genera un’onda d’urto curva a monte della presa. Questa
situazione si caratterizza per una resistenza di spillamento e una resistenza d’urto.
Fig. (e) : M0>1; all’aumentare del numero di Mach l’onda d’urto si posiziona sulla
sezione di ingresso della presa.
Fig. (f) : M0>1; un piccolo incremento del numero di Mach fa entrare l’onda d’urto
nel convergente. Questa è una situazione instabile cosicchè l’onda d’urto oltrepassa
la gola e si posiziona nel divergente. Se la pressione a valle aumenta, l’onda d’urto
si sposta verso la gola e l’intensità diminuisce.
Fig. (g) : M0>1; la posizione dell’onda d’urto in gola è instabile, quindi in condizioni di
progetto si fa in modo che l’onda sia leggermente a valle della gola.
Fig. (h) : M0>1; invece di aumentare la pressione a valle per spingere l’onda d’urto
verso la gola, è possibile diminuire M0, diminuendo il Mach in gola. Quando M0 è
abbassato al valore corrispondente al flusso isoentropico bloccato nella presa, Mt è
pari ad 1. Regolando opportunamente la pressione a valle, il flusso nel divergente è
subsonico e l’intero flusso nella presa è isoentropico.
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Cap. 4 sez. a2 / 10
Presa supersonica convergente-divergente
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(4/7)
Fissato M0 si determina il
Mach subsonico a valle
dell’onda e quindi si
determina il rapporto
delle aree richiesto per
accelerare quel flusso
subsonico a M=1.
La figura a fianco illustra
il rapporto delle aree
At/A1 in funzione di M0;
nella regione sotto la
curva l’onda d’urto si
trova davanti alla presa,
staccata dalla sezione di
ingresso. Nella regione
sopra la curva l’onda
d’urto è ingoiata.
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Cap. 4 sez. a2 / 11
Presa supersonica convergente-divergente
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(5/7)
La figura illustra il rapporto delle
aree per flusso isoentropico e
Mt=1. Nella regione sotto la
curva l’area di gola è troppo
piccola per smaltire la portata
catturata. Nella regione sopra la
curva il flusso nel convergente è
supersonico e si forma un’onda
d’urto
nel
divergente.
La
posizione
dell’onda
d’urto
dipende dalla pressione a valle
imposta dal funzionamento del
motore.
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Presa supersonica convergente-divergente
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(6/7)
I due grafici precedenti sono riuniti
nel grafico sottostante. Durante
l’avviamento della presa solo la
curva superiore ha significato fisico.
La linea ab indica il comportamento
della presa all’aumentare di M0. Al
punto b l’onda d’urto è ingoiata e la
curva inferiore assume significato
fisico. Se M0 viene diminuito, il punto
operativo si sposta da b verso c; tra
b e c l’onda d’urto è ingoiata (è nel
divergente); in c è in gola, ove Mt=1
e quindi è di intensità infinitesima.
Se dunque la presa ha un rapporto
delle aree A1/At=0.7, ed è progettata
per funzionare a M0=1.8, per avviare
la presa bisognerebbe accelerare
fino a M0=3.2. Questa è una
situazione totalmente irrealistica !
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Cap. 4 sez. a2 / 13
Presa supersonica convergente-divergente
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(7/7)
Una possibilità per eliminare il problema della sovravelocità è di ricorrere ad una
geometria variabile.
Con riferimento al diagramma della pagina precedente, si consideri una presa
progettata per operare a M0=3.2. Se il rapporto delle aree della presa a geometria
variabile At/A1 è modificato in modo che il valore uguagli quello del punto b, la
presa si avvierà a M0=3.2. Una forte onda d’urto si posizionerà nel divergente. A
questo punto, se l’area della gola viene ridotta, il punto di funzionamento della
presa si sposta verticalmente da b verso d. Quando At/A1=0.2 la presa opera nel
punto d ed il flusso è isoentropico all’interno della presa.
Se il rapporto delle aree fosse quello del punto e, la presa si avvierebbe a M0 più
basso. All’aumentare della velocità di volo l’area della gola verrebbe
simultaneamente ridotta e la curva operativa di funzionamento della presa sarebbe
la curva ed.
Realizzare la geometria variabile per una configurazione assialsimmetrica è
un’operazione meccanicamente molto difficile.
L’operazione è relativamente facile per prese bidimensionali.
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