OTTIMIZZAZIONE DI UN RADIATORE AD EFFETTO ... Internet/Catalogo...Gli scopi della tesi...
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ALMA MATER STUDIORUM
UNIVERSITA’ DI BOLOGNA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN
INGEGNERIA MECCANICA
OTTIMIZZAZIONE DI UN RADIATORE AD EFFETTO
MEREDITH PER IL VD007
Tesi di laurea di:
Marco Pellegrini
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN
INGEGNERIA MECCANICA
Relatore:
Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli
Correlatori:
Prof. Ing. Gianni Caligiana
Prof. Ing. Alfredo Liverani
Gli scopi della tesi
Dimensionamento del sistema di raffreddamento per il motore VD007, per il
gruppo di sovralimentazione e per l’olio lubrificante.
Progetto di un radiatore con tubi a profilo alare NACA con lo scopo di ridurre
la resistenza del blocco radiante al passaggio dell’aria.
Progetto di un condotto in cui posizionare il radiatore con lo scopo di
minimizzare le resistenze in fase di salita e di produrre una spinta positiva,
come previsto dall’effetto Meredith, alla velocità di crociera.
Il motore VD007
I sistemi impiegati nella propulsione ad elica per velivoli di piccola-media dimensione si dividono in
motori endotermici e motori a turbina.
Vantaggi del Diesel nell’applicazione
aeronautica:
- elevato rendimento (η min = 35%)
- bassi consumi specifici
- minor costo del carburante (jp4, jp8, jet
A1, kerosene)
Il motore Diesel viene scarsamente impiegato perché
produce basse potenze, anche se con rendimenti elevati.
L’ingegner Davide Vangelisti ha convertito il motore
Benzina aeronautico Daimler Benz 605 in un motore
Diesel, con lo scopo di sfruttare le nuove tecnologie
Common rail per aumentarne la potenza.
Grazie all’iniezione Common rail (due iniettori
per cilindro), Vangelisti è riuscito a portare la
potenza teorica del VD007 ad un massimo di
2200 CV, rendendo così favorevole l’utilizzo
del Diesel in campo aeronautico.
- turbina: grandi potenze ma bassi rendimenti
- motore Benzina: medie potenze e rendimenti medi
Funzionamento
ordinario
Funzionamento al
decollo
Funzionamento in
emergenza
Propulsione ibrida e Turbocompound
Diesel VD007
T1C
T2
ELICA
Aspirazione
B2
β = 6.25
T = 50°C
T = 1350°C
T = 1350°C
IC
T = 1000°C
B1
L’effetto Meredith
Nel 1935 Meredith pubblica il memorandum Note on the cooling of aircraft engines with special
reference to ethylene glycol radiators enclosed in ducts. I punti salienti di tale scritto sono:
- il radiatore, se mal progettato e mal posizionato, può arrivare a provocare il 10-15% delle perdite
totali del velivolo.
- il radiatore va inserito all’interno di un condotto
appositamente progettato:
tratto 0 - 1: condotto divergente → il flusso d’aria rallenta e
aumenta la pressione in 1
tratto 1 - 2: radiatore → la cessione di calore al flusso d’aria
fredda ne provoca l’accelerazione
tratto 2 – 3: condotto convergente → il flusso è ulteriormente
accellerato
- se si supera una certa velocità critica, la resistenza del condotto, invece di aumentare, diminuisce
progressivamente, fino a trasformarsi in una spinta propulsiva (cioè V3 > V0).
Il Mustang P-51D
Celebre per essere considerato il velivolo più veloce della
Seconda Guerra Mondiale, deve le sue fortune a due
importanti innovazioni tecnologiche:
- ali a profilo laminare
-radiatore ad effetto Meredith (capace di fornire 2000 N di
spinta “gratis” alla velocità di crociera)
Il condotto del radiatore era posizionato sotto il pilota e
presenta tutte le caratteristiche volute da Meredith.
Per migliorare le prestazioni del condotto, interverremo
sul divergente modificandone la geometria per
aumentarne l’efficienza e sul blocco radiante per
abbassarne la resistenza.
Notare la posizione del radiatore dell’olio, che
riprenderemo nel nostro progetto, seppur con
qualche variante.
Criteri per il dimensionamento del radiatore
Solitamente un qualunque tipo di dimensionamento si effettua nelle condizioni peggiori
possibili di funzionamento. Nel nostro caso la condizione peggiore si ha nei voli a bassa
quota e al decollo d’estate.
ottengo un radiatore eccessivamente sovradimensionato rispetto alla condizione
di crociera
Scegliamo allora di calcolare a quanto ammonta il calore da sottrarre alle varie
componenti da raffreddare nelle condizioni di crociera per poi aumentarlo del 20%
(Bf 109, Spitfire, Lancaster…).
le conseguenze di tale scelta sono:
- probabile surriscaldamento condizioni di salita ripida: l’effetto negativo è però eliminato
dalla riduzione dell’angolo di salita da parte del pilota
- limitazione dei movimenti a terra allo stretto necessario, anche se il Diesel ha meno
problemi a basse potenze rispetto al Benzina
I libri di testo specializzati consigliano allora di dimensionare il radiatore in base alle
condizioni di salita ripida.
ancora una volta ottengo un radiatore troppo voluminoso
Il calore da sottrarre
Raffreddamento del motore: 842 kW
Raffreddamento dell’aria in uscita dal compressore (intercooler): 354 kW
Raffreddamento della turbina: 310 kW
È l’organo più delicato e andrebbe raffreddato ad aria per
avere più sicurezza.
Col raffreddamento a liquido, però, conteniamo le
dimensioni del radiatore.
Scelgo il raffreddamento ad acqua, ma resta aperta
l’ipotesi di modificarlo, passando al raffreddamento ad
aria (però senza passare per il condotto, altrimenti
raggiungo pesi eccessivi).
Raffreddamento dell’olio lubrificante: 63 kW
Ottengo un radiatore molto piccolo e nasce il problema del
suo posizionamento.
La tipologia di radiatore
La scelta ricade sul modello 9.68 - 0.87 tratto dal volume
Compact Heat Exchanger; si tratta di uno scambiatore a
correnti incrociate di cui sono note:
- le dimensioni della singola cella del pacco radiante
- una serie di prove sperimentali che ci consentono di
conoscere il coefficiente di attrito f e i numeri di Pr e St del
flusso d’aria fredda in funzione del numero di Re
La formula impiegata per il dimensionamento è quella
classica degli scambiatori di calore:
Q = Stot U ΔTLM γ
Sia U che Stot rappresentano delle incognite: pertanto ho deciso
di fissare dapprima un valore di tentativo di U per poi calcolarne
il valore reale una volta fissa Stot.
(Hoerner, Fluid Dynamic Drag)
Il coefficiente di resistenza del radiatore
Sostituiamo al flat tube il profilo NACA 0014:
- la sigla 00 indica un profilo simmetrico
- la sigla 14 indica il rapporto tra spessore massimo
e corda; scegliamo questo valore così non variamo
la sezione libera di passaggio per l’aria
Il coefficiente di flusso rimane invariato, cioè U è lo
stesso con entrambi i tipi di tubi.
Rimane solo da calcolare il coefficiente di
resistenza; conosciamo il valore nel caso di profilo
isolato, ma dobbiamo tenere conto:
della presenza delle alette
della comprimibilità e della densità dell’aria
dell’effetto schiera
della variazione dell’angolo di attacco
trascurabile
mediamente nullo
n
La sezione d’ingresso
Il primo passo è il calcolo della portata d’aria necessaria per smaltire il calore; bisogna fissare il ΔT
dell’aria nel condotto. A 5000 m l’aria ha una T di -18°C; fissiamo il valore della T di uscita a 72°C.
Così ottengo:
S = Q / ( ρ V Cp ΔT ) = 0.1848 m²
V = 153 m/s = 550 km/h
m = Q / ( Cp ΔT ) = 20.8 kg/s
A questo punto per calcolare la sezione d’ingresso devo conoscere la velocità di crociera del
velivolo. Nel nostro caso il valore preso non è un valore reale ma di obiettivo, nel senso che il
progetto complessivo dell’aeroplano prevede prestazioni comparabili a quelle del C-130:
Bisogna ora fissare la geometria della sezione di
ingresso: scelgo la cosiddetta bocca di
pescecane.
Soluzioni per il contenimento delle perdite in ingresso
Il by-pass dello strato limite o “boundary layer by-pass” fa in modo che la parte di flusso
turbolento in ingresso venga inviata direttamente allo scarico senza attraversare il radiatore.
Anche il profilo d’ingresso o “leading edge” interviene contro il flusso turbolento allo scopo di
impedire la creazione di vortici di fronte alla sezione d’ingresso.
Le alette di guida all’aspirazione o “inlet guide vanes” (tre verticali e uno orizzontale) hanno il
duplice compito di limitare la creazione dei vortici sopra citati e di guidare il flusso all’interno del
divergente.
L’aletta di guida allo scarico o ”outlet guide vane” orizzontale ha invece il compito di guidare il
flusso d’aria in uscita dal radiatore.
(gli effetti di tali soluzioni sono noti: i risultati sperimentali sono tratti dai report NACA 115 e 438)
Il condotto divergente
Sin / Sf > valore critico, allora kp = kp0
Sin / Sf < valore critico, allora kp = 1 / (Sin / Sf)^2 -1
andamento ideale
andamento streamline diffuser
andamento divergente a pareti piane con alette all’ingresso
andamento divergente a pareti piane
( valore critico = 1 / ( 1 + k p0 )^ 0.5 )
Perdite nel divergente: PERDITE DISTRIBUITE + PERDITE CONCENTRATE
dovute all’attrito sulle pareti del condotto dovute alla variazione di sezione del condotto
Il compromesso si raggiunge con un valore di φ
(semiangolo di apertura del condotto) pari a 7°.
La presenza del divergente influenza anche il
coefficiente di resistenza del radiatore:
Lo streamline diffuser
andamento streamline diffuser
andamento divergente tipo Mustang
Nelle applicazioni pratiche si impiegano divergenti con φ
minimo pari a 15-17°. Questo perché lo streamline diffuser
(o un normale condotto a pareti piane con φ pari a 7°) risulta
troppo lungo e ingombrante, e quindi costoso.
Nello “streamline diffuser” il profilo del condotto (come
indica il nome stesso) segue le linee di flusso della
corrente d’aria, guidandola nella maniera più efficiente
possibile.
La forma risulta simile a quella di una tromba.
Il risparmio ottenuto è però vanificato dalle ingenti perdite che
si misurano nel condotto.
Perciò la nostra scelta non può che ricadere sullo streamline
diffuser, in quanto così riusciamo a minimizzare le perdite
sia nel condotto stesso che nel radiatore.
Calcolo del “pressure drop” nel radiatore
Noto il coefficiente di resistenza del radiatore, possiamo calcolare la perdita di pressione che il
flusso d’aria incontra nel suo attraversamento; a tale scopo utilizziamo due metodi:
perdite in ingressoperdite dovute
all’accelerazione dell’ariaperdite per attrito
- il secondo, tratto dal report NACA 896, deve invece la sua formulazione a riscontri sperimentali
Entrambi i metodi hanno messo in luce come sia necessario un rapporto tra la sezione frontale del
radiatore e la sezione d’ingresso pari a:
Andamento della T Andamento della velocità
- il primo, tratto dal volume Compact Heat Exchanger, ha un approccio che possiamo definire
classico
SF / SIN = 4.5 nel radiatore principale SF / SIN = 6 nel radiatore dell’olio
Dimensionamento del convergente
Le perdite sia distribuite che concentrate nel convergente sono trascurabili.
Ci concentriamo allora sull’aumento di resistenza causato dal convergente nel radiatore.
è meglio un convergente poco inclinato
a / HB
ma con molto spazio per l’espansione dopo il radiatore.
Il convergente del radiatore
principale va poi dotato di un
flap in grado di variare l’area
di uscita: così regolo il flusso
nel condotto intero.
boundary layer by-pass
outlet guide vane
(convergente condotto principale) (convergente condotto secondario)
Radiatore principale
Lunghezza divergente = 2824 mm
Dimensioni radiatore: 921 x 866 x 269 mm
Coeff di resistenza radiatore = 7.036
Peso radiatore = 80.1 kg (59.5 kg a secco)
Distanza convergente ( a ) = 650 mm
Sezione uscita: 921 x 171 mm
Radiatore olio lubrificante
Lunghezza divergente = 862 mm
Dimensioni radiatore: 456 x 100 x 215 mm
Coeff di resistenza radiatore = 6.552
Peso radiatore = 3.2 kg (2.3 kg a secco)
Distanza convergente ( a ) = 200 mm
Sezione uscita: 456 x 15 mm
Conclusioni
Si è deciso di posizionare i radiatori del motore, della turbina e dell’intercooler nel medesimo
condotto, mentre per il radiatore dell’olio si è provveduto alla costruzione di un secondo condotto.
Si è sostituito al flat tube il profilo NACA 0014, ottenendo minore resistenza al passaggio
dell’aria (guadagno del 6% in termini di pressione).
Abbiamo scelto come divergente uno streamline diffuser, capace di minimizzare le perdite nel
divergente stesso e anche quelle prodotte sul pacco radiante (circa il 20% in meno rispetto a un
divergente a pareti piane).
Il dimensionamento del convergente è risultato meno problematico, ma si sono comunque
seguiti i criteri di minimizzazione delle perdite.
Infine si è proceduto al calcolo della spinta in condizioni di crociera:
F = m (Varia – Vcrociera) F = 3777 N
Il risultato è in linea con i valori del Mustang e rende ancora più concorrenziale il
progetto di propulsione ibrida con motore Diesel e turbocompound nei confronti
degli attuali propulsori a turbina o a motore a Benzina.