Impianto combustibile

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Impianto combustibile
Modelli numerici di impianti aeronautici
IMPIANTO COMBUSTIBILE
Prof. Luigi Puccinelli
2
SCOPO
• Trasportare la quantità di combustibile
necessaria per la missione (compresa una
riserva di sicurezza)
• Presentare il combustibile ai motori nella
quantità
tità e con lla pressione
i
richiesta
i hi t d
dall
motore
Impianto combustibile
3
SPECIFICHE
•
•
•
•
Volume di combustibile da imbarcare
Escursione del baricentro ammessa
Portate minima e massima
Campo di pressioni ammesse all’ingresso
all ingresso
motore
Impianto combustibile
COMPONENTI
•
•
•
•
•
•
•
4
Serbatoi
Sistema di rifornimento e svuotamento
p
Pompe
Tubi
Valvole
Filtri
Sistemi di misura
Impianto combustibile
5
% Combustibile rispetto
peso totale al decollo
VELIVOLO
MTOW
[kg]
M Comb
Comb.
[kg]
%
Airbus380
560000
250000
45
Airbus319
64000
19100
30
ATR72
22000
5100
23
Dassault Falcon 2000
16200
5500
34
Lockheed Martin F-16
12100
2600+2900
21/45
Agusta-Westland
EH101
14600
4200
29
Eurocopter EC135
2800
700
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Impianto combustibile
PROBLEMI LEGATI AL
TRASPORTO
6
• La quantità di combustibile necessaria è molto
elevata e costituisce una grossa percentuale del
peso a pieno carico del velivolo.
• È necessario collocare il combustibile in posizioni
tali che il consumo del combustibile durante la
missione non crei significativi spostamenti del
baricentro
Impianto combustibile
COLLOCAZIONE DEI SERBATOI
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• La soluzione preferita è di porre i serbatoi di
combustibile nelle ali:
ƒ prossimità della posizione longitudinale del
baricentro
ƒ Volume
V l
se di
disponibile
ibil non altrimenti
lt i
ti utilizzabile
tili
bil
ƒ Diminuzione del carico strutturale sull’ala
• Collocazione in fusoliera quando lo spessore
dell’ala non è sufficiente o q
quando si desidera
diminuire il momento d’inerzia a rollio.
Impianto combustibile
LAYOUT TIPICO SERBATOI
Impianto combustibile
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TIPI DI SERBATOI
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•Rigidi
ƒ Collocati ove esistano vani idonei o
all’esterno del velivolo
•Flessibili
Fl
ibili
ƒ Sacche alloggiate e opportunamente
contenute
t
t e vincolate
i
l t entro
t vanii appositi
iti
•Integrati
ƒ Parte della struttura, peso contenuto,
necessità di renderli stagni
Impianto combustibile
SERBATOI RIGIDI
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• Serbatoi di estremità alare
• Serbatoi
S b t i subalari
b l i
ƒ A volte da montare solo per voli di
trasferimento
per p
piccoli velivoli o elicotteri
• Serbatoi p
Impianto combustibile
SERBATOIO RIGIDO
Impianto combustibile
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SERBATOIO RIGIDO
Impianto combustibile
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SERBATOIO FLESSIBILE
Impianto combustibile
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SERBATOIO FLESSIBILE
Impianto combustibile
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SERBATOI INTEGRALI ALARI
15
• V
Vantaggi:
t
i
ƒ Utilizzo di volume già disponibile
ƒ Baricentro serbatoi vicino baricentro velivolo
ƒ Riduzione carico alare
• Svantaggi:
ƒ Aumento del momento d’inerzia di rollio
ƒ Scarso volume disponibile nei supersonici
ƒ Ampia superficie esposta ai proiettili (militari)
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SERBATOIO ALARE INTEGRATO
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•Centine
C ti fforate
t per il passaggio
i d
dell liliquido
id
•Funzionano da pareti anti-onda (necessarie in tutti i
serbatoi di ampie dimensioni)
Impianto combustibile
SERBATOI ALARI - Quadrimotore
Impianto combustibile
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SERBATOI ALARI - Trimotore
Impianto combustibile
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STRUTTURA DEL SISTEMA DI
SERBATOI
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• La configurazione più comune prevede serbatoi
per ognuno dei
d i motori
t i con lilinee di alimentazione
li
t i
separate nelle condizioni normali di
f n ionamento
funzionamento
• Per ogni motore esiste spesso un serbatoio
principale ed un secondario, possono esserci
anche serbatoi ausiliari.
Impianto combustibile
STRUTTURA DEL SISTEMA DI
SERBATOI
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• Il contenuto dei serbatoi secondari in condizioni
normali viene travasato nel corrispondente
serbatoio principale
• Il condizioni di emergenza deve essere possibile
alimentare direttamente il motore dal serbatoio
secondario, eventualmente con p
prestazioni minori.
• I serbatoi ausiliari vengono sempre usati per
travaso nei p
principali
p o secondari.
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RIEMPIMENTO DEI SERBATOI
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• Carico da esterno (autobotte o pipeline) in
pressione attraverso un ingresso centralizzato e
una rete di distribuzione comandabile da
apposito pannello di controllo.
• Durante il rifornimento bisogna fare in modo che
venga
g espulsa
p
l’aria ((o vapori)
p ) contenuta nel
serbatoio
Impianto combustibile
RIEMPIMENTO DEI SERBATOI
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• Non deve essere possibile riempire
completamente il serbatoio in modo da lasciare
un certo margine per espansioni dovute ad
eventuali incrementi di temperatura.
• Terminato il riempimento vengono chiuse le linee
di sfogo dell’aria ed il serbatoio può essere
leggermente pressurizzato per favorire
l’alimentazione delle pompe e diminuire la
tendenza ad evaporare del combustibile
Impianto combustibile
RIFORNIMENTO A TERRA
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• Sotto pressione (0.35 MPa) da sistemi a terra (linee di
rifornimento o autocisterne)
• Operazioni automatizzate dal sistema di controllo
combustibile
• Fluido ripartito nei vari serbatoi
• Valvole di sfiato per espellere l’aria
l aria nei serbatoi
Impianto combustibile
RIFORNIMENTO IN VOLO
Impianto combustibile
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RIFORNIMENTO IN VOLO
Impianto combustibile
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LINEA DI ALIMENTAZIONE DI
UN MOTORE
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• I motori, sia alternativi ad iniezione che a turbina,
dispongono di una loro pompa che regola la
pressione di invio del carburante nella camera di
combustione e la portata di combustibile
• Per un corretto funzionamento del motore occorre
che,, per
p qualsiasi
q
valore di p
portata richiesta dal
motore, la pressione all’ingresso del motore sia
mantenuta nell’interno di un valore minimo ed un
valore massimo
Impianto combustibile
ALIMENTAZIONE
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Ai motori deve essere garantita una pressione
minima del combustibile, in un intervallo ampio di
portate:
t t
ƒ Per gravità:
• Serbatoi collocati più in alto rispetto ai motori (piccoli
velivoli con motori a pistoni e ala alta)
ƒ A pressione:
• Utilizzo di pompe fluidodinamiche centrifughe
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SCELTA DELLA POMPA DI
ALIMENTAZIONE
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Essendo la portata sulla linea determinata dalla
richiesta del motore e variabile a seconda del
regime del motore, la pompa di alimentazione
deve adattarsi alla portata: risulta conveniente
l’impiego di pompe fluidodinamiche (normalmente
centrifughe).
Impianto combustibile
CURVA CARATTERISTICA
Impianto combustibile
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CURVE CARATTERISTICHE DI
POMPE CENTRIFUGHE
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• Le pompe centrifughe forniscono incrementi di
pressione funzione della p
p
portata.
• Nel ramo utile della curva caratteristiche la
pressione diminuisce al crescere della p
p
portata.
• La curva varia al variare del numero dei giri della
p p
pompa.
• Al variare del punto di funzionamento (sia come
numero di g
giri che come p
portata)) varia il
rendimento della pompa.
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POMPE FLUIDODINAMICHE
•
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Usate per inviare combustibile:
ƒ Da un serbatoio di raccolta al propulsore
p p
ƒ Da un serbatoio all’altro per operazioni di
centraggio o avarie
ƒ Da diversi punti del serbatoio al serbatoio
di raccolta
Impianto combustibile
POMPE FLUIDODINAMICHE
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• Almeno una pompa per motore
• Disponibilità di pompe di emergenza o
alimentazione incrociata, con by-pass dei
sistemi in avaria
• Pompe azionate dai motori stessi ((pistoni)) o da
motori elettrici (turbina)
Impianto combustibile
SCELTA DELLA POMPA
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• La pompa deve essere scelta controllando che in
tutto il campo di portate richieste dal motore, la
pressione all’ingresso
g
del motore sia nel campo
prescritto.
• La pompa viene scelta in base alle curve
caratteristiche fornite dal produttore (curve
sperimentali).
• Occorre ovviamente tenere conto della perdite di
carico nella linea fra la pompa ed il motore.
• Normalmente la pompa è immersa nel serbatoio
mentre il motore può essere lontano.
Impianto combustibile
ACCOPPIAMENTO
POMPA – LINEA ALIMENTAZIONE
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Pressione al motore
100.0
90.0
80.0
p/pmax
70.0
60.0
Pompa
50.0
Perdite
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
0
20
40
60
Q/Qmax
Impianto combustibile
80
100
SCELTA DELLA POMPA
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• Data la curva caratteristica (riferita al motore),
sottraendo a q
questa le p
perdite di carico,, si ottiene
la pressione all’ingresso del motore: occorre
verificare che p
per tutti i valori di p
portata richiesti la
pressione sia compresa fra il minimo ed il
massimo prescritti.
p
Impianto combustibile
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PRESSIONE AL MOTORE
100.0
90 0
90.0
80.0
p/pmax
70 0
70.0
60.0
Pompa
50.0
Perdite
40.0
Pressione al motore
30.0
20.0
10.0
0.0
0
20
40
60
Q/Qmax
Impianto combustibile
80
100
SCELTA DELLA POMPA
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• Analizzando le pressioni si riporta nel diagramma la
curva caratteristica della pompa e le pressioni
limite necessarie all’uscita della pompa per il
corretto funzionamento del motore.
• Queste sono indicate da due curve ottenute
riportando gli andamenti delle perdite di carico in
funzione della p
portata,, incrementati dei valori
minimi e massimi richiesti dal motore.
• Si deve verificare che la curva caratteristica della
pompa si trovi compresa fra le due curve per tutti i
valori di portata richiesti dal motore
motore.
Impianto combustibile
SCELTA DELLA POMPA
Impianto combustibile
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39
CROSS FEED
• IIn caso di plurimotori
l i t i ognii motore
t
è
alimentato dei suoi serbatoi, ma è sempre
pre ista la possibilità di cross
prevista
cross-feed
feed
(alimentazione incrociata).
• In caso di avaria (di motore o di serbatoio)
deve essere possibile alimentare qualsiasi
motore partendo da qualsiasi serbatoio.
Impianto combustibile
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CROSS FEED
• Quando si utilizza una sola linea per
l’alimentazione di due motori da un unico serbatoio
la portata in questa raddoppia, le perdite di carico
quindi si quadruplicano.
• Risulta quindi conveniente dividere i flussi il prima
possibile. Le valvole di cross-feed conviene siano
poste in prossimità dei serbatoi
Impianto combustibile
LINEA DI TRAVASO
41
• S
Sulla
ll una lilinea di ttravaso il punto
t di
funzionamento della pompa viene determinato
dall’equilibrio
dall
equilibrio fra la potenza fornita dalla pompa e
quella assorbita dall’impianto.
• Il punto di funzionamento viene quindi
determinato del punto di intersezione fra la curva
caratteristica della pompa e quella dell’impianto
dell impianto.
Impianto combustibile
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TRAVASO
100.0
90 0
90.0
80.0
p/p
pmax
70.0
60.0
Punto
funzionamento
u o a e o
50.0
Pompa
P dit
Perdite
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
0
20
40
60
Q/Qmax
Impianto combustibile
80
100
LINEA DI TRAVASO
43
• S
Se sii utilizza
tili
lla stessa
t
pompa per il ttravaso di
combustibile da serbatoi ausiliari a serbatoi
principali e per l’alimenta
l’alimentazione
ione del motore dal
serbatoi ausiliario, il travaso deve essere fatto in
maniera continua perché la portata di travaso non
può essere molto superiore a quella di
alimentazione del motore.
motore
Impianto combustibile
SVUOTAMENTO SERBATOI
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• A terra per ispezione e manutenzione impianto
• In volo per atterraggio di emergenza
Impianto combustibile
SCARICO RAPIDO DI
EMERGENZA
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• Nei casi di atterraggio d’emergenza uno dei motivi
più comuni di p
p
perdita di vite umane è dovuto a
incendio.
• È quindi conveniente avere la possibilità di uno
scarico rapido del combustibile imbarcato in modo
da minimizzare il problema.
Impianto combustibile
MISURE NELL’IMPIANTO
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• In un impianto combustibile occorre misurare:
ƒ Pressione all’uscita della pompe
• fornisce indicazioni sul corretto funzionamento
dell’alimentazione dei motori
ƒ Portate sulle linee di alimentazione
• Fornisce indicazioni sul corretto funzionamento dei
motori
ƒ Quantità di combustibile disponibile
p
.
Impianto combustibile
MISURA PRESSIONE
Impianto combustibile
47
MISURATORI PRESSIONE
Impianto combustibile
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MISURATORE PORTATA
Impianto combustibile
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MISURATORE PORTATA
Impianto combustibile
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MISURA DELLA QUANTITÀ DI
COMBUSTIBILE
51
• È necessario conoscere la massa di combustibile
disponibile.
integrazione della portata ai
• La misura attraverso ll’integrazione
motori è altamente sconsigliata perché può essere
sbagliato il valore iniziale, l’integrazione
l integrazione accumula
errori, non può rilevare eventuali perdite dai
serbatoi
Impianto combustibile
MISURA DELLA QUANTITÀ DI
COMBUSTIBILE
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• La misura viene fatta attraverso la misura del
volume di combustibile nei serbatoi con una
correzione per gli effetti
ff
della temperatura.
• Il volume può essere rilevato attraverso misure di
livello.
p
q
quelli
• Data la forma dei serbatoi ((specialmente
integrali alari) occorre un certo numero di sonde
per p
p
poter sempre
p disporre
p
di sonde in g
grado di
eseguire misure.
Impianto combustibile
MISURA DELLA QUANTITÀ DI
COMBUSTIBILE
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• Le sonde possono essere:
ƒ Galleggianti con potenziometro
ƒ Capacitive
ƒ A ultrasuoni
• Salvo casi semplici è comunque necessario
ll’impiego
impiego di calcolatori per elaborare l’indicazione
l indicazione
delle sonde
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COLLOCAZIONE SONDE
MISURA LIVELLO
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LAYOUT SENSORI
Impianto combustibile
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SENSORI MECCANICI
Impianto combustibile
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((conc. Autofflug GmbH)
SENSORI AD ULTRASUONI
Impianto combustibile
SENSORI CAPACITIVI
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(conc. Autoflug GmbH)
Impianto combustibile
SONDE CAPACITIVE
Impianto combustibile
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PULIZIA E FILTRAGGIO
•
60
IIntroduzione
t d i
di valvole
l l di d
drenaggio
i neii serbatoi
b t ie
vari filtri lungo le linee per:
1. Acqua (formazione di ghiaccio)
2 Ossido e altre impurità (malfunzionamento
2.
pompe e iniettori)
3 Micro-organismi
3.
Micro organismi (modifica delle caratteristiche
del combustibile, corrosione)
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