Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Promemoria lezione AA 2012-2013
Propulsione Tipi di propulsione
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
1
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Considerazioni di progetto, principali requisiti Reliable aircraft engines operate at temperature, pressure, and speed extremes, and therefore need to operate reliably and safely under all these conditions.
Lightweight as a heavy engine increases the empty weight of the aircraft reduces its payload.
Powerful to overcome the weight and drag of the aircraft. Small large engines with substantial surface area, when installed, create too much drag, wasting fuel and reducing power output.
Repairable to keep the cost of replacement down. Minor repairs should be relatively inexpensive.
Fuel efficient to give the aircraft the range the design requires. capable of operating at sufficient altitude for the aircraft.
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
2
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Motore a combustione interna alternativo
Pratt-Whitney_R-2800
Lycoming O-235C2
Pratt & Whitney R-4360 Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
3
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Rolls-Royce Griffon Type 12-cylinder supercharged liquid-cooled 60° V aircraft piston engine
Power output: 2,035 hp (1,520 kW) at 7,000 ft (2,135 m) 1,820 hp (1,360 kW) at 21,000 ft (6,400 m) Dry weight: 1,980 lb ( 900 kg) Specific power: 0.91 hp/in³ (41.4 kW/L) Power to weight ratio: 1.03 hp/lb (1.69 kW/kg)
Spitfire
The Rolls-Royce Griffon engine was used in the Schneider Trophy races. Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
4
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Motore stellare a combustione interna
S-55
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
5
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Motori stellari o in linea The debate about the merits of the radial vs. the inline continued throughout the 1930s, with both types seeing some use.
The radial was more popular largely due to its simplicity and better power/weight ratio for aircraft carrier takeoffs. Although inline engines offer smaller frontal area than radials, inline engines require the added weight and complexity of cooling systems and are generally more vulnerable to battle damage.
Originally radial engines had but one row of cylinders, but as engine sizes increased it became necessary to add extra rows. Most did not exceed two rows, but the largest radial engine ever built in quantity, the Pratt & Whitney Wasp Major, was a 28-cylinder 4-row radial engine used in many large aircraft designs in the post-World War II period. Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
6
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Motore a combustione interna alternativo La potenza erogata da tali motori dipende: • dal numero di giri. La potenza cresce all’aumentare del numero di giri.
• dalla pressione di alimentazione manifold pressure funzione della valvola di regolazione dell’aria air throttle, la farfalla. • dal rapporto ponderale aria-combustibile Titolo della miscela: miscela ricca o miscela povera
• dalla quota. La potenza diminuisce con la quota di volo. Una formula empirica porta a esprimere la potenza alla generica quota z come
• è sostanzialmente indipendente dalla velocità di volo Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
7
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
P-51 Mustang
If it is well designed, a contra-rotating propeller will have no rotational air flow, pushing a maximum amount of air uniformly through the propeller disk, resulting in high performance and low induced energy loss. It also serves to counter the asimmetrical torque effect of a conventional propeller. Some contra-rotating systems were designed to be used at take off for maximum power and efficiency, and allowing one of the propellers to be disabled during cruise to extend flight time.
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
8
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Contra-rotating propellers A Rolls-Royce Griffon powered the North American P-51 Mustang that was an American long-range single-seat fighter aircraft that entered service with Allied air forces in the middle years of World War II.
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
10
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Rolls-Royce Merlin Type 12-cylinder supercharged liquid-cooled 60° V aircraft piston engine
Vickers F.7/41 Vickers F.7/41
Avro Lancaster B I
de Havilland Hornet
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
11
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Jet engines Getto puro
Compressore centrifugo
Compressore assiale
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
12
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Turbofan engines L’uso di turbofan, con piccola o grande diluizione, riduce i consumi e contribuisce a ridurre il livello di rumore
Low-bypass
High-bypass
Bypass ratio 2 - 5
Bypass ratio 6 - 9
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
13
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Turboshaft engine turboelica
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
14
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Carnot's theorem Carnot heat engine diagram
Thermal efficiency is defined as
Carnot’s limit on the maximum efficiency
The first law of thermodynamics requires The second law of thermodynamics requires The third law of thermodynamics requires the use of an absolute temperature scale Together they imply a maximum heat-to-work efficiency of:
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
15
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Da un punto di vista termodinamico, il funzionamento ideale delle turbine a gas è descritto dal ciclo Brayton, in cui l’aria viene compressa isoentropicamente, la combustione avviene a pressione costante e l’espansione nella turbina avviene isoentropicamente fino alla pressione di aspirazione.
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
16
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Evoluzione del consumo specifico
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
17
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Evoluzione del consumo specifico B 52
DC 9 B 747 A 300
GE 90
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
18
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Evoluzione dell’inquinamento
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
19
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Turbogetto diminuzione di spinta con la quota All’aumentare della quota la portata in massa diminuisce per effetto dalla diminuita densità. Sino alla tropopausa, si può esprimere la trazione T ad una quota assegnata z come
Il consumo specifico cresce all’aumentare della velocità di volo e rimane circa costante al variare della quota; valore indicativo: 0,8-1,0 N(N h). Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
20
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Qualche notizia storica Il primo aereo con motore turbogetto fu progettato sulla carta nel 1929, quando Frank Whittle, un ufficiale della Royal Air Force britannica, inviò una sua idea al ministero dell'aria inglese per verificare se vi era un interessamento. Il primo jet a turbina effettivamente realizzato fu invece il prototipo segreto Heinkel He 178 della Luftwaffe e volò la prima volta il 27 agosto 1939 con ai comandi Erich Warsitz. Esattamente ad un anno di distanza, il 27 agosto 1940 volò il prototipo di motoreattore Caproni Campini N.1, con ai comandi il maggiore dell’Aeronautica Mario De Bernardi. Il motore era di concezione diversa da quello utilizzato sull'Heinkel, ma poiché il volo dell'He 178 venne mantenuto segreto, la Fédération Aéronautique Internationale omologò il volo degli italiani come il primo volo di un aereo a reazione. Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
21
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
DH-106 Comet Vickers Viscount primo velivolo commerciale a turboelica
First civilian with a turbojet engine The British de Havilland Comet first flew in 1949 and is noted as the world's first commercial jet airliner On 10 January 1954, BOAC Flight 781 a De Havilland Comet 1 took off from Ciampino Airport in Rome, Italy en route to Heathrow Airport in London, England on the final leg of its flight from Singapore. At about 10:00 GMT, the aircraft suffered an explosive decompression at altitude and crashed into the Mediterranean Sea, killing everyone on board.
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
24
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
BOAC Flight 781 After extensive testing of the Comet 1 G-ALYU ("Yoke Uncle") which had been donated for testing by BOAC, investigators at the RAE concluded that the crash had been due to failure of the pressure cabin at the forward ADF window in the roof. This 'window' was in fact one of two apertures for the aerials of an electronic navigation system. The failure was a result of metal fatigue caused by the repeated pressurisation and de-pressurisation of the aircraft cabin. In addition, it was discovered that the stresses around pressure cabin apertures were considerably higher than had been appreciated, especially around sharp-cornered cut-outs, such as windows. Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
25
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
ugelli postbruciatore Costruttore Pratt & Witney Compressore assiale 10 stadi di compressione Turbine 2 ad alta e 2 a bassa pressione Rapporti di compressione 32:1 Peso A vuoto 1696 kg Spinta 79,1 kN 129,6 kN con postbruciatore Consumo specifico 77,5 kg/(kN h) 197,8kg/(kN h) Rapporto di diluizione 0,7:1 Rapporto spinta-peso 7,8:1 (76 N/kg)
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
26
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Engine Characteristic
ATR 42 : PW121, PW120, PW121A ATR 42-500 : PW127E, PW127M ATR 72 : PW124B, PW127 ATR 72-500 : PW127F, PW127M Bombardier Q100 : PW121, PW120A Bombardier Q200 : PW123D, PW123C Bombardier Q300 : PW123, PW123B, PW123E Bombardier Q400 : PW150A CASA C295 : PW127G Canadair CL-215T/CL-415 : PW123AF Embraer EMB120 : PW118A, PW118, PW118B Fairchild Dornier 328 : PW119B, PW119C Fokker 50/50 High Performance : PW125B, PW127B
Maximum Thrust (Full Augmentation)
167.3 kN
Weight
3,220 kg
Length
146.8 inches (3.73 m)
Inlet Diameter
78.5 inches (1.99 m)
Maximum Diameter
84.5 inches (2.15 m)
Bypass Ratio Overall Pressure Ratio
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
5.9 to 1 30.8 to 1
27
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Trent 900 Leading the way on the Airbus A380
Engine Specification SL 0.25M,
flat-rated to 30°C/86°F
Thrust
70,000-76,500lb Certificated up to 80,000lb
Bypass ratio
Inlet mass flow
8.7-8.5
2655-2745lb/sec
Fan diameter
116in
Length
179in
Weight
14,190lb
Stages
Fan, 8 IPC, 6 HPC 1 HPT, 1 IPT, 5 LPT
Certification 29th October 2004 Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
28
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
GE90-115B Fan/Compressor Stages: 1F/4LPC/9HPC Low-Pressure Turbine/High-Pressure Turbine Stages: 6/2
Application Examples: Boeing 777-200LR Boeing 777-300ER
Max Diameter (Inches): 135 Length (Inches): 287 Dry Weight (Lb.): 18,260 Max. Power at Sea Level (Lb.): 115,300
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
29
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
GE90-115B
E’ il motore più grande e più potente al mondo. Certificato per 115000 lb 52.000 kg, ha sviluppato in prova una spinta di 127900 lb, 58000 kg. Il diametro misura poco meno di tre metri e mezzo. Visto da vicino lascia particolarmente stupiti, fa decisamente impressione.
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
30
Fondamenti di Meccanica del Volo Atmosferico
Statoreattore scramjet supersonic combustion ramjet
Dipartimento Dipartimento di Scienze di Scienze e Tecnologie e Tecnologie Aerospaziali Aerospaziali Politecnico di Milano Politecnico di Milano Politecnico di Milano
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
31
