STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UNA TURBINA COMPATTA E ...
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STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UNA TURBINA COMPATTA E AFFIDABILE PER UN ELICOTTERO ULTRALEGGERO BASATO SU COMPONENTI COMMERCIALI ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNA FACOLTA’ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Sede di Bologna TESI DI LAUREA In Laboratorio di CAD CANDIDATO Marco Costanzelli RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli Anno Accademico 2008 /09 II Sessione
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STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UNA TURBINA
COMPATTA E AFFIDABILE PER UN ELICOTTERO
ULTRALEGGERO BASATO SU COMPONENTI
COMMERCIALI
ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI
BOLOGNA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA
Sede di Bologna
TESI DI LAUREA
In Laboratorio di CAD
CANDIDATO
Marco Costanzelli
RELATORE
Prof. Ing. Luca PiancastelliAnno Accademico 2008 /09
II Sessione
Scopo della trattazione e funzionamento del turbogas
Assemblare una turbina a gas con componenti commerciali in grado di erogare una potenza di 147 kW (200 CV).
I componenti sono stati scelti utilizzando il catalogo commerciale per sovralimentazioni automobilistiche Garrett disponibile in rete
Architettura utilizzataPer ottenere la maggior potenza possibile si è utilizzato un layout del turbogas con
due turbine in serie: turbine di bassa e alta pressione
Questa architettura consente di poter inserire un post bruciatore tra le due turbine in grado di aumentare ulteriormente la potenza in caso di necessità
Dai calcoli di progetto svolti si sono ottenuti risultati che hanno portato
alla scelta di utilizzare, come compressore e turbina di alta
pressione, i componenti GT5533R del catalogo Garrett. Per la turbina di
bassa pressione i calcoli non hanno fornito risultati riscontrabili con le
caratteristiche delle turbine presenti sul catalogo. Si propone quindi, come sviluppo futuro, la progettazione e la realizzazione di questo componente
Diagramma caratteristico del compressore Diagramma
caratteristico della turbina
Influenza della temperatura di ingresso in turbina sulla potenza ottenuta
Nell’utilizzo della turbomacchina , il principale parametro di controllo per regolarne ilfunzionamento è costituito dalla regolazione della quantità di combustibile introdotta in cameradi combustione. Aumentando il combustibile introdotto, aumenta la temperatura in camera dicombustione e quindi anche la temperatura di ingresso in turbina. Come si vede dalle curveriportate, ciò porta ad avere:
• Un miglioramento del rendimento termodinamico del ciclo
• Un aumento della potenza ottenibile
• Un aumento del consumo specificoAndamento delle curve di interesse calcolate con T=750°C T=900°C T=1000°C
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PotenzaPot 750
Pot 900
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Rendimento
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Quota [m]
Consumo Specifico
scf 750
scf 900
scf 1000
Potenza ottenibile in condizioni di progetto
Temperatura 750 °C 900 °C 1000 °C
Potenza 72 kW 110 kW 135 kW
Consumi 0,96 kg/min 1,2 kg/min 1,44 kg/min
Temperatura 750 °C 900 °C 1000 °C
Potenza 86 kW 130 kW 160 kW
Consumi 1,2 kg/min 1,56 kg/min 1,81 kg/min
Potenza ottenibile in condizioni di progetto con accensione del post bruciatore
Portando la temperatura di ingresso in turbina fino a 1000 °C e attivando il post bruciatore riesco a ottenere una potenza elevata in grado di rispondere alla richiesta di 147 kW dell’utilizzatore. Basta quindi un solo turbogas per ottenere la potenza richiesta da progetto.
Aggiungendo uno scambiatore per recuperare calore dai gas di scarico all’uscita della seconda turbina è possibile ridurre del 40 % i consumi.
Come ulteriore vantaggio si può utilizzare il combustibile come lubrificante per i cuscinetti al fine di ottenere un preriscaldamento della miscela che favorisca la combustione.
Infine, per aumentare la sicurezza a bordo in caso di incidente, il turbogas viene alimentato a gasolio.
Possibili applicazioni
Dato l’elevato rapporto potenza/peso e l’esiguo numero di componenti il turbogas garantisce potenza, leggerezza e grande affidabilità; la facilità nel reperire il necessario sul mercato permette di sostituire velocemente i componenti in avaria. Queste caratteristiche rendono conveniente il suo utilizzo su gru volanti e su elicotteri ultraleggeri da turismo in sostituzione dei motori alternativi finora impiegati
Grazie per l’attenzione
