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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Quota [m]

PotenzaPot 750

Pot 900

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Quota [m]

Rendimento

η 750

η 900

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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