Integrazione motore-velivolo

La progettazione di superfici aerodinamiche efficienti è estremamente importante per aumentare l’efficienza propulsiva dei velivoli e  ridurre il consumo di carburante, con particolare riferimento ai componenti che influenzano le prestazioni del motore.

Geometrie ottimizzate della presa dinamica e del condotto di scarico possono essere ricavate accoppiando analisi CFD con algoritmi di ottimizzazione avanzati, cercando soluzioni ottimali in modo automatico all’interno di uno spazio di ricerca prestabilito.

Quando si considera l’integrazione del motore all’interno della struttura del velivolo, le forme dei condotti possono risultare molto complesse: il processo di progettazione deve solitamente affrontare molte variabili e un complesso sistema di vincoli strutturali, rendendo il tradizionale approccio alla progettazione per tentativi molto lungo e poco efficace. In tale contesto, lo sviluppo di metodologie di progettazione automatiche che prevedono l’applicazione di algoritmi di ottimizzazione abbinati a solutori CFD, fornisce uno strumento alternativo e molto potente per l’analisi parametrica e l’ottimizzazione di scarichi e prese d’aria.

Questa metodologia può essere applicata ad aerei, elicotteri, convertiplani, in diverse condizioni di volo e a differenti livelli di potenza del motore. E’ necessario quindi utilizzare anche un software in grado di stimare le prestazioni del motore per convalidare il progetto dell’installazione, verificando la riduzione dei consumi ottenuta.

I nostri fondatori hanno applicato questa metodologia automatizzata all’interno di un progetto europeo di ricerca in collaborazione con il prof. Ernesto Benini dell’Università di Padova.

L’obiettivo principale della metodologia proposta si basa sull’accoppiamento tra un solutore CFD e un codice di simulazione di turbomotori per valutare il consumo del motore al variare della configurazione di installazione.

Una volta costruito un modello CFD relativo ad una singola configurazione, una prima simulazione permette di stimare le prestazioni di presa dinamica e condotto di scarico. Tuttavia, per eseguire correttamente una simulazione CFD, è necessario conoscere la portata d’aria in ingresso nel motore e la temperatura di uscita della turbina.

Questi valori sono disponibili solo mediante l’utilizzo di un codice dedicato; a questo scopo abbiamo impiegato TSHAFT, un software di simulazione delle turbine a gas sviluppato e validato in collaborazione con l’Università di Padova. Poiché le perdite di installazione influenzano il valore della portata in ingresso nel motore, è necessaria una procedura iterativa per ottenere risultati affidabili, altrimenti c’è il rischio concreto di ottimizzare le forme di presa dinamica e scarico nel punto operativo scorretto. Di seguito la procedura impiegata:

Poiché una piccola modifica delle prestazioni dell’installazione produce una leggera variazione della portata (comunque non trascurabile ai fini della misura dell’incremento di efficienza), di solito due o tre iterazioni sono sufficienti per ottenere una tolleranza accettabile.

Un aumento della pressione totale all’ingresso del motore, unito a una riduzione nella distorsione del flusso, è stato verificato in tutte le condizioni di volo analizzate mediante simulazioni fluidodinamiche. Il parametro più importante relativo al motore è il consumo di carburante: la differenza percentuale tra configurazione iniziale e ottimizzata è stata calcolata per differenti condizioni di volo.

L’aumento delle prestazioni del motore stimato da TSHAFT è sempre risultato positivo. La riduzione nel consumo di carburante riscontrata è di oltre il 2% a velocità di crociera e di oltre l’1% in volo a punto fisso (hover). Si tratta di valori estremamente incoraggianti, poiché alcuni punti percentuali di consumo di carburante possono determinare la fattibilità o meno di un particolare design concettuale. In aggiunta, questi risultati sono stati ottenuti anche diminuendo il margine dallo stallo del compressore.

La procedura di ottimizzazione dell’installazione motore, applicata a un convertiplano, è stata un successo, in seguito confermato anche dai test in galleria del vento. Infatti, anche se l’ottimizzazione aveva come obiettivo principale il miglioramento delle prestazioni in volo ad alta velocità, essa ha registrato anche un incremento delle prestazioni in condizioni di hover, ad ogni livello di potenza analizzato. Le zone di ristagno presenti nella geometria di base sono state completamente eliminate grazie alla nuova geometria ottimizzata, caratterizzata da un fattore di recupero di pressione in presa dinamica molto elevato e da una migliorata efficienza dell’ugello di scarico.