Integrazione motore-velivolo

Ottimizzazione dell’installazione motore

CLIENTE

Industria aeronautica

RICHIESTA

Miglioramento delle prestazioni dell’installazione motore all’interno del velivolo

SUCCESSO

– Riduzione del consumo di carburante e delle emissioni inquinanti

– Aumento dell’efficienza di presa dinamica e ugello di scarico

– Riduzione della distorsione del flusso in ingresso motore

– Incremento del margine dallo stallo del compressore

Integrazione Motore-Velivolo
PROBLEMA:

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

Abbiamo applicato questa metodologia automatizzata all’interno del progetto di ricerca sul convertiplano ERICA (progetto europeo Clean Sky 1), nel quale siamo stati coinvolti in passato.

Soluzione:

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 internamente. 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:

1. Una prima simulazione viene eseguita utilizzando TSHAFT dove vengono inseriti valori unitari per i rendimenti di presa d’aria e ugello di scarico (valori di primo tentativo). I valori della portata e della temperatura in uscita dalla turbina sono usati per determinare le condizioni al contorno dei flussi d’aria nel modello CFD.

2. Viene effettuata una simulazione CFD del flusso in entrata e in uscita dal motore utilizzando i valori di portata e temperatura calcolati in precedenza. Si ottengono così i valori delle perdite di pressione a monte e valle del motore.

3. Viene eseguita una nuova simulazione in TSHAFT utilizzando il nuovo valore delle perdite di pressione. Se la nuova portata differisce dal valore calcolato in precedenza (fuori da una tolleranza predefinita), i nuovi valori di portata e temperatura vengono inseriti in una nuova simulazione CFD.

4. La procedura di cui sopra viene ripetuta fino a convergenza. Quando si ottiene la convergenza sulla portata, solitamente anche la temperatura di uscita della turbina dovrebbe presentare una discrepanza trascurabile tra CFD e il modello TSHAFT.

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.

Integrazione Motore-Velivolo
Integrazione Motore-Velivolo
Integrazione Motore-Velivolo
risultati:

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 per il convertiplano ERICA 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.

La tua realtà ha esigenze uniche. 
Cosa possiamo fare per te?