PROGETTAZIONE DI MASSIMA DI UNA

VERSIONE ULTRALEGGERA

DEL MACCHI 205

Parole chiave:

1) IDROGENO

2) PROPULSIONE

3) AEROPLANO

4) ULTRALEGGERO

5) ELETTRICO

Relatore: Prof. Ing. L. Piancastelli

Correlatori: Prof. Ing. F. Persiani

Prof. Ing. G. Caligiana

Prof. Ing A. Liverani

Tesi di laurea di:

Fabio Forni

Scopi della tesi

• Sviluppare un propulsore aeronautico

basato sulla tecnologia FUEL CELL;

• Testarne l’ applicabilità al prototipo

di MACCHI 205 replica;

• Confrontare criticamente i risultati con

altre soluzioni propulsive.

Specifiche richieste

AFFIDABILITA’

• Duplicazione delle

sottounità del propulsore;

• Sistema di potenza

ausiliaria;

• Paracadute balistico

PRESTAZIONI

•Leggerezza;

• Potenza;

• Rendimento elevato.

Sviluppo del progetto

• Ideare lo schema generale del sistema di

propulsione;

• Sviluppare le sottounità;

• Integrare il propulsore con il velivolo;

• Eseguire le valutazioni energetiche.

Schema generale

Fuel Cell ed ausiliari:Idrogeno

Aria

Raffreddamento

Circuito elettrico:Distribuzione ed accumulo energia

Azionamento:Motore elettricoElica

FC

Fuel Cell ed ausiliari•Ballard Mark 902, stack PEM- Potenza netta: 85 kW continui

- 300 A; DC 284 V

- Idrogeno gassoso “Commercial grade”

- T funzionamento 80°C;

- Peso 96 kg

-Risposta: 10% - 90% meno 1 s

•Xcellsis HY-80- Potenza netta 68 kW

- Peso approx. 220 kg

- Voltaggio 450–250V DC

- Efficienza max 48% (LHV)

•Stoccaggio H2

e refrigerazione- Progettati su misura

Circuito elettrico

Vc Ac

Vm Am

Vu

Au

Vaus

Aaus

DOD

UNITA’

POTENZA

AUSILIARIA

FUEL

CELL

AUSIL.

12 V

Accumulatore NiMHax COBASYS

Energia 1,2 kWh ( 50 % DOD ) =

= 72 kW per 1 min; 36 kW per 2 min; 24 kW per 3 min

Azionamento

MPM 80 UQM con inverter MTV-1 MT propeller

80 kW ( 109CV ) @ 2000 – 8000 rpm Diametro 1400-1600

Peso totale 66 kg Potenza al decollo 79 kW @3400 rpm

Potenza specifica 1,2 kW/kg Potenza continua 68 kW @3000 rpm

Raffreddato a liquido

Integrazione col velivolo

Culla di supporto

In lega di titanio

Ti6Al4V

Reversal engineering

Vano propulsore

Sistema di propulsione assemblato

Prestazioni

68 kW = 92 CV 220 km/h

Velocità di decollo = 60 km/h

500

100

200

300

400

Km/h

CV

Velocità:

DC

DC

Idrogeno FC +

ausiliari

Converter APU Controllo Motore

100% 48% 97% 95% 90% 92%

η= 37%Rendimento:

Peso:

- Fuel Cell con ausiliari Xcellsis HY-80 -------------------- 220 kg

- Sistema di stoccaggio QUANTUM Type IV -------------- 45 kg

- Accumulatori elettrici NiMHax COBASYS e cavi------- 45 kg

- Sistema di controllo ISE Corporation e cablaggi ------- 10 kg

- Motore elettrico MPM 80 e converter --------------------- 66 kg

Elica MTV-1 PROPELLER ---------------------------------- 11 kg

Massa Totale

400 kg

+ 160 struttura

Comparazione con altri propulsori

PESO POTENZA CV/kg RENDIMEN

TO

Sistema Fuel Cell 400 kg 93 CV 0,23 37 %

Modello originale 764 kg 1075 CV 1,4 22 %

1900 JTD

common rail

220 kg 171 CV 0,68 41 %

YZF-R1 1000

aspirato

68 kg 180 CV 2,6 20 %

Sensibilità alla quota

POTENZA ASSORBITA DAL COMPRESSORE ARIA

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

QUOTA ( m )

PO

TE

NZ

A (

kW

)

68 kW : 48 % = 65,5 kW : X %

Rendimento3000 m = 46,2 % - 2 %

Motori aspirati = -35 %

Conclusioni

Notevole silenziosità di funzionamento.

Possibilità di funzionamento in qualsiasi assetto (da verificare).

Temperature bassissime se confrontate ai MCI.

Rendimenti elevati ed in costante miglioramento.

Assenza di meccanismi in movimento.

Assenza di vibrazioni.

Impatto ambientale nullo.