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.