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Impianto combustibile
Modelli numerici di impianti aeronautici IMPIANTO COMBUSTIBILE Prof. Luigi Puccinelli 2 SCOPO • Trasportare la quantità di combustibile necessaria per la missione (compresa una riserva di sicurezza) • Presentare il combustibile ai motori nella quantità tità e con lla pressione i richiesta i hi t d dall motore Impianto combustibile 3 SPECIFICHE • • • • Volume di combustibile da imbarcare Escursione del baricentro ammessa Portate minima e massima Campo di pressioni ammesse all’ingresso all ingresso motore Impianto combustibile COMPONENTI • • • • • • • 4 Serbatoi Sistema di rifornimento e svuotamento p Pompe Tubi Valvole Filtri Sistemi di misura Impianto combustibile 5 % Combustibile rispetto peso totale al decollo VELIVOLO MTOW [kg] M Comb Comb. [kg] % Airbus380 560000 250000 45 Airbus319 64000 19100 30 ATR72 22000 5100 23 Dassault Falcon 2000 16200 5500 34 Lockheed Martin F-16 12100 2600+2900 21/45 Agusta-Westland EH101 14600 4200 29 Eurocopter EC135 2800 700 25 Impianto combustibile PROBLEMI LEGATI AL TRASPORTO 6 • La quantità di combustibile necessaria è molto elevata e costituisce una grossa percentuale del peso a pieno carico del velivolo. • È necessario collocare il combustibile in posizioni tali che il consumo del combustibile durante la missione non crei significativi spostamenti del baricentro Impianto combustibile COLLOCAZIONE DEI SERBATOI 7 • La soluzione preferita è di porre i serbatoi di combustibile nelle ali: prossimità della posizione longitudinale del baricentro Volume V l se di disponibile ibil non altrimenti lt i ti utilizzabile tili bil Diminuzione del carico strutturale sull’ala • Collocazione in fusoliera quando lo spessore dell’ala non è sufficiente o q quando si desidera diminuire il momento d’inerzia a rollio. Impianto combustibile LAYOUT TIPICO SERBATOI Impianto combustibile 8 TIPI DI SERBATOI 9 •Rigidi Collocati ove esistano vani idonei o all’esterno del velivolo •Flessibili Fl ibili Sacche alloggiate e opportunamente contenute t t e vincolate i l t entro t vanii appositi iti •Integrati Parte della struttura, peso contenuto, necessità di renderli stagni Impianto combustibile SERBATOI RIGIDI 10 • Serbatoi di estremità alare • Serbatoi S b t i subalari b l i A volte da montare solo per voli di trasferimento per p piccoli velivoli o elicotteri • Serbatoi p Impianto combustibile SERBATOIO RIGIDO Impianto combustibile 11 SERBATOIO RIGIDO Impianto combustibile 12 SERBATOIO FLESSIBILE Impianto combustibile 13 SERBATOIO FLESSIBILE Impianto combustibile 14 SERBATOI INTEGRALI ALARI 15 • V Vantaggi: t i Utilizzo di volume già disponibile Baricentro serbatoi vicino baricentro velivolo Riduzione carico alare • Svantaggi: Aumento del momento d’inerzia di rollio Scarso volume disponibile nei supersonici Ampia superficie esposta ai proiettili (militari) Impianto combustibile SERBATOIO ALARE INTEGRATO 16 •Centine C ti fforate t per il passaggio i d dell liliquido id •Funzionano da pareti anti-onda (necessarie in tutti i serbatoi di ampie dimensioni) Impianto combustibile SERBATOI ALARI - Quadrimotore Impianto combustibile 17 SERBATOI ALARI - Trimotore Impianto combustibile 18 STRUTTURA DEL SISTEMA DI SERBATOI 19 • La configurazione più comune prevede serbatoi per ognuno dei d i motori t i con lilinee di alimentazione li t i separate nelle condizioni normali di f n ionamento funzionamento • Per ogni motore esiste spesso un serbatoio principale ed un secondario, possono esserci anche serbatoi ausiliari. Impianto combustibile STRUTTURA DEL SISTEMA DI SERBATOI 20 • Il contenuto dei serbatoi secondari in condizioni normali viene travasato nel corrispondente serbatoio principale • Il condizioni di emergenza deve essere possibile alimentare direttamente il motore dal serbatoio secondario, eventualmente con p prestazioni minori. • I serbatoi ausiliari vengono sempre usati per travaso nei p principali p o secondari. Impianto combustibile RIEMPIMENTO DEI SERBATOI 21 • Carico da esterno (autobotte o pipeline) in pressione attraverso un ingresso centralizzato e una rete di distribuzione comandabile da apposito pannello di controllo. • Durante il rifornimento bisogna fare in modo che venga g espulsa p l’aria ((o vapori) p ) contenuta nel serbatoio Impianto combustibile RIEMPIMENTO DEI SERBATOI 22 • Non deve essere possibile riempire completamente il serbatoio in modo da lasciare un certo margine per espansioni dovute ad eventuali incrementi di temperatura. • Terminato il riempimento vengono chiuse le linee di sfogo dell’aria ed il serbatoio può essere leggermente pressurizzato per favorire l’alimentazione delle pompe e diminuire la tendenza ad evaporare del combustibile Impianto combustibile RIFORNIMENTO A TERRA 23 • Sotto pressione (0.35 MPa) da sistemi a terra (linee di rifornimento o autocisterne) • Operazioni automatizzate dal sistema di controllo combustibile • Fluido ripartito nei vari serbatoi • Valvole di sfiato per espellere l’aria l aria nei serbatoi Impianto combustibile RIFORNIMENTO IN VOLO Impianto combustibile 24 RIFORNIMENTO IN VOLO Impianto combustibile 25 LINEA DI ALIMENTAZIONE DI UN MOTORE 26 • I motori, sia alternativi ad iniezione che a turbina, dispongono di una loro pompa che regola la pressione di invio del carburante nella camera di combustione e la portata di combustibile • Per un corretto funzionamento del motore occorre che,, per p qualsiasi q valore di p portata richiesta dal motore, la pressione all’ingresso del motore sia mantenuta nell’interno di un valore minimo ed un valore massimo Impianto combustibile ALIMENTAZIONE 27 Ai motori deve essere garantita una pressione minima del combustibile, in un intervallo ampio di portate: t t Per gravità: • Serbatoi collocati più in alto rispetto ai motori (piccoli velivoli con motori a pistoni e ala alta) A pressione: • Utilizzo di pompe fluidodinamiche centrifughe Impianto combustibile SCELTA DELLA POMPA DI ALIMENTAZIONE 28 Essendo la portata sulla linea determinata dalla richiesta del motore e variabile a seconda del regime del motore, la pompa di alimentazione deve adattarsi alla portata: risulta conveniente l’impiego di pompe fluidodinamiche (normalmente centrifughe). Impianto combustibile CURVA CARATTERISTICA Impianto combustibile 29 CURVE CARATTERISTICHE DI POMPE CENTRIFUGHE 30 • Le pompe centrifughe forniscono incrementi di pressione funzione della p p portata. • Nel ramo utile della curva caratteristiche la pressione diminuisce al crescere della p p portata. • La curva varia al variare del numero dei giri della p p pompa. • Al variare del punto di funzionamento (sia come numero di g giri che come p portata)) varia il rendimento della pompa. Impianto combustibile POMPE FLUIDODINAMICHE • 31 Usate per inviare combustibile: Da un serbatoio di raccolta al propulsore p p Da un serbatoio all’altro per operazioni di centraggio o avarie Da diversi punti del serbatoio al serbatoio di raccolta Impianto combustibile POMPE FLUIDODINAMICHE 32 • Almeno una pompa per motore • Disponibilità di pompe di emergenza o alimentazione incrociata, con by-pass dei sistemi in avaria • Pompe azionate dai motori stessi ((pistoni)) o da motori elettrici (turbina) Impianto combustibile SCELTA DELLA POMPA 33 • La pompa deve essere scelta controllando che in tutto il campo di portate richieste dal motore, la pressione all’ingresso g del motore sia nel campo prescritto. • La pompa viene scelta in base alle curve caratteristiche fornite dal produttore (curve sperimentali). • Occorre ovviamente tenere conto della perdite di carico nella linea fra la pompa ed il motore. • Normalmente la pompa è immersa nel serbatoio mentre il motore può essere lontano. Impianto combustibile ACCOPPIAMENTO POMPA – LINEA ALIMENTAZIONE 34 Pressione al motore 100.0 90.0 80.0 p/pmax 70.0 60.0 Pompa 50.0 Perdite 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 0 20 40 60 Q/Qmax Impianto combustibile 80 100 SCELTA DELLA POMPA 35 • Data la curva caratteristica (riferita al motore), sottraendo a q questa le p perdite di carico,, si ottiene la pressione all’ingresso del motore: occorre verificare che p per tutti i valori di p portata richiesti la pressione sia compresa fra il minimo ed il massimo prescritti. p Impianto combustibile 36 PRESSIONE AL MOTORE 100.0 90 0 90.0 80.0 p/pmax 70 0 70.0 60.0 Pompa 50.0 Perdite 40.0 Pressione al motore 30.0 20.0 10.0 0.0 0 20 40 60 Q/Qmax Impianto combustibile 80 100 SCELTA DELLA POMPA 37 • Analizzando le pressioni si riporta nel diagramma la curva caratteristica della pompa e le pressioni limite necessarie all’uscita della pompa per il corretto funzionamento del motore. • Queste sono indicate da due curve ottenute riportando gli andamenti delle perdite di carico in funzione della p portata,, incrementati dei valori minimi e massimi richiesti dal motore. • Si deve verificare che la curva caratteristica della pompa si trovi compresa fra le due curve per tutti i valori di portata richiesti dal motore motore. Impianto combustibile SCELTA DELLA POMPA Impianto combustibile 38 39 CROSS FEED • IIn caso di plurimotori l i t i ognii motore t è alimentato dei suoi serbatoi, ma è sempre pre ista la possibilità di cross prevista cross-feed feed (alimentazione incrociata). • In caso di avaria (di motore o di serbatoio) deve essere possibile alimentare qualsiasi motore partendo da qualsiasi serbatoio. Impianto combustibile 40 CROSS FEED • Quando si utilizza una sola linea per l’alimentazione di due motori da un unico serbatoio la portata in questa raddoppia, le perdite di carico quindi si quadruplicano. • Risulta quindi conveniente dividere i flussi il prima possibile. Le valvole di cross-feed conviene siano poste in prossimità dei serbatoi Impianto combustibile LINEA DI TRAVASO 41 • S Sulla ll una lilinea di ttravaso il punto t di funzionamento della pompa viene determinato dall’equilibrio dall equilibrio fra la potenza fornita dalla pompa e quella assorbita dall’impianto. • Il punto di funzionamento viene quindi determinato del punto di intersezione fra la curva caratteristica della pompa e quella dell’impianto dell impianto. Impianto combustibile 42 TRAVASO 100.0 90 0 90.0 80.0 p/p pmax 70.0 60.0 Punto funzionamento u o a e o 50.0 Pompa P dit Perdite 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 0 20 40 60 Q/Qmax Impianto combustibile 80 100 LINEA DI TRAVASO 43 • S Se sii utilizza tili lla stessa t pompa per il ttravaso di combustibile da serbatoi ausiliari a serbatoi principali e per l’alimenta l’alimentazione ione del motore dal serbatoi ausiliario, il travaso deve essere fatto in maniera continua perché la portata di travaso non può essere molto superiore a quella di alimentazione del motore. motore Impianto combustibile SVUOTAMENTO SERBATOI 44 • A terra per ispezione e manutenzione impianto • In volo per atterraggio di emergenza Impianto combustibile SCARICO RAPIDO DI EMERGENZA 45 • Nei casi di atterraggio d’emergenza uno dei motivi più comuni di p p perdita di vite umane è dovuto a incendio. • È quindi conveniente avere la possibilità di uno scarico rapido del combustibile imbarcato in modo da minimizzare il problema. Impianto combustibile MISURE NELL’IMPIANTO 46 • In un impianto combustibile occorre misurare: Pressione all’uscita della pompe • fornisce indicazioni sul corretto funzionamento dell’alimentazione dei motori Portate sulle linee di alimentazione • Fornisce indicazioni sul corretto funzionamento dei motori Quantità di combustibile disponibile p . Impianto combustibile MISURA PRESSIONE Impianto combustibile 47 MISURATORI PRESSIONE Impianto combustibile 48 MISURATORE PORTATA Impianto combustibile 49 MISURATORE PORTATA Impianto combustibile 50 MISURA DELLA QUANTITÀ DI COMBUSTIBILE 51 • È necessario conoscere la massa di combustibile disponibile. integrazione della portata ai • La misura attraverso ll’integrazione motori è altamente sconsigliata perché può essere sbagliato il valore iniziale, l’integrazione l integrazione accumula errori, non può rilevare eventuali perdite dai serbatoi Impianto combustibile MISURA DELLA QUANTITÀ DI COMBUSTIBILE 52 • La misura viene fatta attraverso la misura del volume di combustibile nei serbatoi con una correzione per gli effetti ff della temperatura. • Il volume può essere rilevato attraverso misure di livello. p q quelli • Data la forma dei serbatoi ((specialmente integrali alari) occorre un certo numero di sonde per p p poter sempre p disporre p di sonde in g grado di eseguire misure. Impianto combustibile MISURA DELLA QUANTITÀ DI COMBUSTIBILE 53 • Le sonde possono essere: Galleggianti con potenziometro Capacitive A ultrasuoni • Salvo casi semplici è comunque necessario ll’impiego impiego di calcolatori per elaborare l’indicazione l indicazione delle sonde Impianto combustibile COLLOCAZIONE SONDE MISURA LIVELLO Impianto combustibile 54 LAYOUT SENSORI Impianto combustibile 55 SENSORI MECCANICI Impianto combustibile 56 57 ((conc. Autofflug GmbH) SENSORI AD ULTRASUONI Impianto combustibile SENSORI CAPACITIVI 58 (conc. Autoflug GmbH) Impianto combustibile SONDE CAPACITIVE Impianto combustibile 59 PULIZIA E FILTRAGGIO • 60 IIntroduzione t d i di valvole l l di d drenaggio i neii serbatoi b t ie vari filtri lungo le linee per: 1. Acqua (formazione di ghiaccio) 2 Ossido e altre impurità (malfunzionamento 2. pompe e iniettori) 3 Micro-organismi 3. Micro organismi (modifica delle caratteristiche del combustibile, corrosione) Impianto combustibile
