72736 - PROPULSIONE AERONAUTICA E SPAZIALE

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente possiede e sa applicare le conoscenze sulle architetture e la funzionalità dei più classici sistemi di propulsione aerospaziale, nonché dei motori alternativi nel loro accoppiamento con l'elica. Acquisisce conoscenze sui sistemi propulsivi aeronautici che utilizzano come motore il turbogas prendendo in considerazione le tipologie dei propulsori, le loro prestazioni, l'interazione propulsore-velivolo.

Contenuti

Introduzione
La propulsione nell'atmosfera, nel vuoto. Spinta, potenza di propulsione, rendimento di propulsione. Relazione fra velocità del vettore e del fluido all'uscita del propulsore.

L'elica
Convenienza dell'impiego dell'elica per le più basse velocità del vettore. Concetto di passo geometrico dell'elica. La svergolatura. Il rapporto di avanzamento. Il rendimento dell'elica.
Vantaggi derivanti dall'orientabilità delle pale: fattori per la scelta dell'angolo ottimale di orientamento. Variazioni al decollo, al pieno regime, alla frenatura.
Dipendenza del tiro e della potenza assorbita dall'elica dalla velocità di rotazione e dal diametro. Il numero di pale.
Primo approccio al problema dell'accoppiamento motore-elica.

Motori alternativi per impieghi aeronautici
Introduzione allo studio del motore alternativo per gli impieghi aeronautici. Le grandezze geometriche qualificanti. Modello teorico del funzionamento del m.c.i. a partire da macchina ideale con fluido ideale.
Dal diagramma di indicatore a quello termodinamico, per i modelli Sabathe e Otto espressione del rendimento termodinamico con importanza del rapporto di compressione. Valutazione della temperatura media di scarico in previsione di problemi di sovralimentazione.
Espressione della potenza con tonalità termica teorica e reale: importanza di lambda.
Espressione della potenza per via termodinamica. Definizione e significati di pme, pmi, s/d, Cm.
Impostazione del modello di studio della combustione: la velocità di propagazione della fiamma e la sua dipendenza dalla velocità di rotazione e dal rapporto di miscela. Necessità di regolazione per quantità e bisogno della farfalla.
Tempo di ritardo all'autoaccensione: la detonazione. Limite della cilindrata unitaria: grandi potenze, grande numero di cilindri. Importanza della natura del carburante, scala ottanica, additivi antidetonanti, la benzina avio. Detonazione al decollo. Le accensioni multiple.
Modello di stima dei gradienti di pressione temporale ed angolare: la necessità dell'anticipo e la sua dipendenza dai giri.
L'irregolarità del motore ed i problemi inerziali sull'elica (diagnosi misfire). Il passaggio ai policilindrici per attenuare l'irregolarità.
Cenni alle forze di inerzia. Architettura bicilindrici (L2, B2, V2). Confronto mono e 2 cilindri.
Potenze, cilindrate. Problemi generali: raffreddamento, equilibratura spinte, uniformità coppia, detonazione.
Architetture ragionate: Z=3, 4, il boxer per aeroclub. 5, 7, 9 stellari e V diritti e rovesci, la crisi storica dei motori di grossa potenza.
Necessità di conoscere la portata istantanea di aria per adeguare il tempo di iniezione. Strategie speed-density, alfa-speed, maf. Le mappature da implementare nelle centraline.
Necessità di ripristinare la potenza in quota: la sovralimentazione. Quadro delle tecniche possibili: compressori volumetrici e centrifughi trascinati e con turbo e relative conseguenze sulle prestazioni. Tecniche ragionate specifiche per la sovralimentazione dei motori per la propulsione aeronautica.
Determinazione delle caratteristiche funzionali dei motori alternativi (andamenti di potenza, coppia e consumi specifici) in vista dell'accoppiamento con l'elica. Vantaggi iniezione elettronica in quota: iniezione diretta nata in aeronautica.
Componenti meccanici ed elettronici dei sistemi iniezione: confronti.
Cenno sui problemi dell'inquinamento: i catalizzatori e la sonda lambda. Conseguenze dell'aggiunta dell'NOX fra gli inquinanti, oltre a CO e HC; dal catalizzatore bivalente al trivalente e la necessità della sonda lambda: sua natura, prestazioni ed interazione con la centralina. L'EGR. L'assorbimento dei vapori dal serbatoio.
I problemi di lubrificazione dei propulsori in generale, di quelli alternativi in particolare. La nascita dei sistemi a carter secco in aeronautica (stellari e V rovesciati). Il caso del volo rovescio.
La predisposizione del motore al banco, cenno sul funzionamento dei freni dinamometrici. Il raffreddamento dei motori in prova. Procedure per i rilievi, diagrammi a pieno carico ed a carichi parziali.
La distribuzione: architettura ragionata delle valvole e dei relativi organi di comando. Necessità di contenimento delle masse e conseguenze architettoniche: le differenti soluzioni possibili e le scelte più usuali per i motori aeronautici. Rassegna delle architetture generali dei motori condizionata dalle scelte del sistema di distribuzione. Le leggi reali di alzata valvole: anticipi apertura e ritardi chiusura per fenomeni inerziali. Il diagramma delle fasi.

Propulsione con turbine aeronautiche
Introduzione alle diverse tipologie di turbine aeronautiche. Definizione di spinta per motorizzazioni air-breathing. Spinta per motori monoflusso e biflusso.
Rendimenti dei propulsori: rendimento propulsivo, rendimento termico e totale. Spinta al decollo e autonomia di volo. Prestazioni, consumo specifico. Valori tipici per turbofan, turbojet e ramjet. Componenti statici della turbina a reazione: l'imbocco. Comportamento delle prese statiche in condizioni di volo supersonico.
Componenti statici: geometrie camere di combustione. Ugelli di spinta: equazioni dell'espansione isentropica.
Matching caratteristiche compressore e turbina per la determinazione del punto di lavoro. Gruppo monoalbero con utilizzatore: caso di elica a passo fisso ed a passo variabile.
Matching per il caso del gas-generator. Accoppiamento con turbina di potenza o con ugello di spinta. Curve caratteristiche per il gruppo mono e bialbero. Confronto monoalbero e bialbero dal punto di vista della regolazione e dell'efficienza in condizioni di regolazione.
Utilizzo della post-combustione e valutazione della sua efficienza. Confronto turbojet con post-combustione e turbofan. Visita ai laboratori didattici per la presentazione delle varie motorizzazioni presenti ed in particolare della turbina da elicottero sezionata.

Propulsione a razzo
Introduzione alla propulsione a razzo. Determinazione della spinta. Condizioni di espansione ottima, di sovra e sotto espansione. Principali layout per i razzi a propellente liquido
Razzi a propellente solido. Formulazione del grain, velocità di combustione e pressione all'interno della camera di combustione per diverse geometrie interne.

Testi/Bibliografia

Testi di riferimento:
Bettocchi, R., Spina, P.R., - Propulsione aeronautica con turbogas - 2a ed. - Pitagora, 2002.
E. BENINI - Propulsione aerea - Ed. CLEUP
Cohen H., Rogers G.F.C., Saravanamuttoo H.I.H. - Gas Turbine Theory – 5th Ed. – Prentice Hall, 2001

Altri testi:
Hill & Peterson - Mechanics and Thermodynamics of Propulsion - Addison-Wesley Publishing Company - New York
Sandrolini S., Borghi M., Naldi, G. – Turbomacchine termiche. Turbine – Pitagora, 1992.
Sandrolini S., Naldi G. – Macchine 1. Fluidodinamica e termodinamica delle turbomacchine – Pitagora, 1997.
Sandrolini S., Naldi G. – Macchine 2. Le turbomacchine motrici e operatrici, Pitagora,1998.

Metodi didattici

L'insegnamento è articolato in lezioni teoriche ed esercitazioni numeriche, nelle quali vengono mostrati esempi di dimensionamento.

La frequenza è fortemente consigliata per un migliore apprendimento dei concetti e delle nozioni, ma non incide sul processo di valutazione finale.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento consiste in un esame orale della durata di circa 1 ora nel corso del quale lo studente deve rispondere a tre quesiti che coprono il programma svolto.

La valutazione, espressa in trentesimi, sarà tanto più alta quanto più lo studente è:

• autonomo nell’argomentare le risposte ai tre quesiti;
• esaustivo nell’esporre le argomentazioni;
• preciso nel rappresentare la funzionalità degli schemi rappresentati a mano libera.

L’insegnamento di Propulsione aeronautica e spaziale T (6 CFU) è uno dei due moduli che, insieme al corso di TurbomacchineT (6 CFU), costituisce il corso integrato di Propulsione aerospaziale T (12 CFU). La votazione che verrà verbalizzata sarà data dalla media aritmetica delle singole votazioni che lo studente avrà ottenuto nei due moduli. Se il risultato della media presenta il numero decimale 0.5 la votazione sarà arrotondata all’intero superiore.

Per ottenere come valutazione finale “30 e lode” lo studente dovrà essere in uno dei due seguenti casi:

• avere ottenuto “30 e lode” in entrambi i moduli
• avere ottenuto “30 e lode” in un modulo e 30 nell’altro.

Il calendario delle prove è reso disponibile con ampio anticipo sulla piattaforma web AlmaEsami dell'Ateneo di Bologna. Al momento della prova lo studente deve presentarsi con un documento di riconoscimento.

Strumenti a supporto della didattica

Lucidi del professore a disposizione in segreteria didattica.
Visita guidata delle motorizzazioni presenti presso il laboratorio.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Fabrizio Ponti