Generazione e distribuzione dell'energia a bordo di aeromobili: evoluzione More Electric Aircraft.

Capitolo 2
Sistemi aeronautici di potenza
Prima di entrare specicatamente nell’analisi e possibili sviluppi del more electric
aircraft, nel presente capitolo si vuole fornire una descrizione generale sui vari
sistemi di potenza che oggigiorno caratterizzano i principali aerei civili e, con le
dovute proporzioni e ovvie dierenze, gli aerei militari. Bisogna per o tenere pre-
sente che non vi  e una forma standardizzata per tutti gli aerei poich e ovviamente le
singole aziende costruttrici tenderanno ad avere un’impiantistica propria volta anche
all’ottimizzazione dei singoli aeromobili.
2.1 Generalit a
L’architettura convenzionale di un aereo ad uso civile, include una combinazione di
sistemi di natura meccanica, idraulica, pneumatica ed elettrica; tutto ci o  e il risul-
tato di numerosi anni di sviluppo nel campo dell’aeronautica che hanno portato alla
congurazione attuale. In un’architettura convenzionale il carburante viene conver-
tito in potenza dai motori(Fig.2.1); la maggior parte di questa potenza  e convertita
in forza propulsiva per muovere l’aereo, mentre la rimanente viene convertita in
quattro forme di potenza non propulsiva:
 POTENZA PNEUMATICA, ottenuta dagli stadi ad alta pressione dei motori
mediante spillamento; questo tipo di energia viene generalmente utilizzato per
alimentare il sistema di condizionamento ambientale nonch e fornire aria cal-
da per la fondamentale operazione di de-icing delle ali. I suoi svantaggi sono
prevalentemente la bassa ecienza e la dicolt a nel rilevamento di perdite.
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 POTENZA MECCANICA, che  e trasferita mediante opportuni cinematismi
alle pompe idrauliche centrali e locali, ma soprattutto ai generatori elettrici
principali come verr a illustrato in seguito.
 POTENZA IDRAULICA, che viene trasferita dalle pompe idrauliche centrali
ai sistemi di attuazione per il controllo di volo primario e secondario, ai car-
relli di atterraggio e numerosi sistemi ancillari. I sistemi idraulici sono molto
robusti ed hanno un’alta densit a di potenza, ma presentano una serie di svan-
taggi come il peso, l’inessibilit a dell’infrastruttura dovuta alla presenza di
numerose tubature che con il tempo si possono degradare con la conseguente
fuoriuscita di liquidi pericolosi e corrosivi. Questi sono anche i principali mo-
tivi che stanno portando la ricerca e lo sviluppo verso la parziale e successiva
completa eliminazione dell’impiantistica idraulica sugli aerei, soppiantata da
una pi u sicura ed eciente sistemistica elettrica.
 POTENZA ELETTRICA, che viene ottenuta prevalentemente dai generatori
principali al ne di alimentare l’avionica, l’illuminazione, la stiva ed altri
carichi commerciali come i sistemi di intrattenimento per i passeggeri. La
potenza elettrica ha il vantaggio di non richiedere infrastrutture particolar-
mente pesanti ed  e molto essibile; tuttavia presenta una densit a di poten-
za inferiore rispetto alla potenza idraulica e presenta sicuramente un elevato
rischio di incendio nel caso di corto circuiti.
Figura 2.1. Forme di potenza prelevate dal motore
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Ogni sistema  e diventato sempre pi u complesso e soprattutto l’interazione tra i
vari componenti delle apparecchiature ha portato una progressiva riduzione dell’ef-
cienza dell’intero sistema. Una semplice falla nel sistema pneumatico o idraulico
pu o portare al disservizio dei carichi legati a tale rete con conseguenti ritardi o can-
cellazioni dei voli; l’individuazione del guasto non  e semplice e una volta individuato
pu o essere dicile da raggiungere per eettuare la riparazione.
Figura 2.2. Architettura convenzionale
2.2 Cenni sui motori aeronautici
E’ importante, seppur in minima parte, analizzare la struttura e i principi di funzion-
amento dei propulsori aeronautici; infatti, anche se non rappresentano specicata-
mente l’oggetto di tesi, risulta utile conoscerne la struttura per sviluppare il more
electric engine ossia l’inserimento del generatore elettrico direttamente all’interno
del motore, calettato sull’albero principale. Partendo dal ciclo termodinamico che
sta alla base del funzionamento si arriva a descrivere i moderni propulsori turbofan
con i quali sono equipaggiati i principali aerei civili.
2.2.1 Turbina a gas
La turbina a gas, detta anche turboespansore,  e una turbomacchina motrice che
trasforma l’entalpia del gas che la attraversa in energia meccanica. La turbina a gas
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semplice  e costituita da un compressore calettato sullo stesso albero di una turbina e
da una camera di combustione situata tra questi due componenti. Il termine turbina
a gas talvolta si riferisce soltanto alla sezione turbina e non alla macchina completa.
Il principio di funzionamento  e il seguente: l’aria viene compressa dal compressore ed
inviata in seguito in camera di combustione nella quale l’ossidazione del combustibile
innalza l’entalpia della corrente gassosa che prosegue il suo percorso espandendo in
turbina. La turbina trascina il compressore e l’energia netta risultante viene utiliz-
zata direttamente come energia meccanica nel campo delle applicazioni industriali
ad esempio per trascinare macchine, nel campo della propulsione aeronautica per
trascinare eliche (turboalbero, turboelica) o per fornire la spinta (turbogetto, tur-
boventola), oppure in campo energetico trasformata in energia elettrica mediante
un alternatore.
Figura 2.3. Turbina a gas
Da un punto di vista termodinamico, il funzionamento ideale delle turbine a
gas  e descritto dal Ciclo Brayton, in cui l’aria  e compressa isoentropicamente, la
combustione avviene a pressione costante e l’espansione in turbina avviene isoen-
tropicamente no alla pressione di aspirazione. Le caratteristiche delle turbine a
gas le rendono adatte alla produzione di grandi quantit a di energia con ingombri
assai limitati. Un utilizzo naturale  e quindi quello della propulsione, soprattutto
marina ed aerea, nelle quali non si hanno controindicazioni relativamente al mag-
giore svantaggio della turbina stessa, che  e la grande portata di gas di scarico. Nella
propulsione aerea, la turbina trova impiego nei turboreattori, dove ha il compito di
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fornire energia al compressore, ma non solo, perch e servir a anche a generare la spin-
ta necessaria a mettere in moto l’aeromobile (a volte anche a generatori ausiliari), e
nei turboelica, i cosiddetti jet-prop, dove la maggior parte dell’energia della turbina
 e trasmessa all’elica, e una parte minore al compressore.
2.2.2 Turbogetto
Il turbogetto  e il pi u semplice ed il pi u vecchio, oggi totalmente soppiantato dal
turboventola, dei motori a getto. Si tratta di un motore a ciclo continuo (o aperto)
che sfrutta il ciclo turbogas, detto anche di Brayton-Joule, per produrre la spinta
necessaria a far muovere un aereo. Il motore  e sostanzialmente costituito da una
presa d’aria(1), da un compressore centrifugo o assiale(2), dalla camera di combus-
tione(3), dove si trovano gli iniettori del combustibile (kerosene), da una turbina(4),
da un eventuale postbruciatore ed inne da un ugello di scarico(5) che fornisce la
spinta.
Figura 2.4. Sezione motore turbogetto
Questi organi, assieme ai numerosi organi accessori, quali motorino d’avviamen-
to, pompe per i lubricanti e i liquidi di rareddamento, sistemi di spillamento dal
compressore, per evitarne lo stallo o per pressurizzare cabina e circuito idraulico,
sono contenuti in un involucro metallico di forma aerodinamica posto nell’ala, di
anco alla fusoliera, entro la fusoliera, oppure sopra la coda del velivolo.
In un turbogetto l’aria viene convogliata dalla presa d’aria, o presa dinamica o
diusore, che inizia una prima compressione, ed inviata al compressore (o ai com-
pressori nelle soluzioni a compressore di bassa e di alta pressione) il quale continua la
compressione. Da qui viene inviata alla camera di combustione, dove si miscela con
il combustibile nebulizzato dagli iniettori ed incendiata da una candela. Una volta
iniziato il processo di combustione rimane spontaneo se non mutano le condizioni di
pressione e usso di combustibile.
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La combustione continua provoca un notevole innalzamento della temperatura
dell’aria che, non potendo espandersi, viene indirizzata verso la turbina dove si es-
pande cedendo a questa la propria energia. Il turbogetto risponde, dal punto di vista
termodinamico, al ciclo di Brayton e pertanto, come macchina termica, raggiunge
rendimenti tanto pi u elevati quanto pi u elevati sono il suo rapporto di compressione
e la temperatura massima del ciclo, a pari temperatura minima. La realizzazione
dei turbogetto  e quindi basata sull’ottenimento dei pi u elevati rendimenti possibili
dei compressori, delle turbine a gas e delle camere di combustione.
2.2.3 Turboventola o turbofan
Il turboventola, spesso indicato in inglese turbofan,  e un tipo di motore a getto. A
dierenza di un normale motore turbogetto, il turboventola utilizza due ussi d’aria
separati: un usso, detto usso caldo, attraversa tutti gli stadi del motore descritti
precedentemente ed un usso freddo che invece attraversa solo ventola e ugello, nel
caso di turboventola a ussi associati, oppure la sola ventola nel caso di turboventola
a ussi separati. Il rapporto tra la portata in massa di usso freddo e usso caldo
si dice rapporto di diluizione o, in inglese, bypass ratio o BPR.
Figura 2.5. Turbofan a usso separato (sinistra) e a usso miscelato (destra)
Tutti gli aeroplani moderni a getto adottano il turboventola, in quanto  e il mo-
tore che permette il minimo consumo e migliori prestazioni rispetto al sorpassato
turbogetto. Questo per motivi legati alla presenza della ventola e del usso freddo.
Infatti, a causa del fatto che il combustibile sia miscelato solo nel usso caldo, il tur-
boventola genera pi u spinta a parit a di combustibile consumato da un turbogetto,
o, che  e lo stesso, consuma meno combustibile a parit a di spinta con un turboget-
to. Molti aeroplani passeggeri adottano turboventole ad alto rapporto di diluizione;
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possiamo riconoscerli grazie al loro pi u grande ingombro frontale, determinato dalla
ventola appunto, mentre gli aeroplani ad alte prestazioni, come possono esserlo i
caccia, adottano turboventole a basso rapporto di diluizione, per un fatto legato alla
loro velocit a operativa molto elevata, dove quindi l’ingombro  e paragonabile a quello
di un turbogetto semplice. La ventola  e mossa da un albero della turbina pi u a valle,
detta turbina di bassa pressione, mentre il compressore  e mosso da un altro albero,
concentrico e pi u esterno rispetto al primo, collegato alla turbina pi u a monte e im-
mediatamente posta a valle del combustore, detta turbina di alta pressione. Questa
congurazione  e detta bialbero, ma il compressore potrebbe essere mosso anche da
pi u di un albero, generando congurazioni trialbero.
Figura 2.6. Sezione turbofan
2.3 Sistemi pneumatici
I moderni motori turbofan descritti precedentemente, sono a tutti gli eetti dei
generatori di gas e questo ha portato all’utilizzo di aria spillata dal motore per
numerose applicazioni quali il riscaldamento, la pressurizzazione dei sistemi o il
condizionamento degli ambienti. L’aria spillata viene estratta dai compressori e dopo
averla rareddata e aver opportunamente regolato la pressione,  e usata per numerose
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applicazioni. L’uso dei motori aeronautici come sorgenti di alta pressione ed alta
temperatura pu o essere ben compreso analizzando le caratteristiche dei moderni
motori turbofan; in essi, come descritto nella sezione precedente, solo una parte del
usso d’aria attraversa tutti gli stadi del motore mentre la rimanente, che costituisce
la parte maggioritaria, attraversa solamente la ventola e l’ugello. Il rapporto tra
queste due componenti di usso, denito bypass ratio, varia da 5:1 a 10:1 per i
moderni aerei civili. Le caratteristiche di un moderno turbofan sono mostrate in
gura 2.7: essa mostra i valori di pressione espressi in psi e di temperatura dell’aria
nelle varie sezioni del motore per tre condizioni del motore ossia al decollo, a velocit a
di crociera e quando si trova al minimo. Si pu o notare come nella condizione di
minor stress, all’uscita del compressore  e comunque disponibile una massa d’aria a
180 gradi centigradi ad una pressione di 50 psi che corrisponde grosso modo a 3.4
atm; nella velocit a di crociera sono disponibili circa 10 atm ad una temperatura di
400 gradi. Si pu o dire pertanto che il motore sia eettivamente una sorgente di aria
ad alta temperatura e pressione che pu o essere spillata per poter espletare numerose
funzioni riguardanti l’aereo.
Figura 2.7. Caratteristiche di un motore turbofan
Il fatto che ci siano queste considerevoli variazioni di pressione e temperatura
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a seconda delle condizioni operative del motore, impone un sistema di controllo
adeguato del sistema pneumatico.
L’aria spillata viene utilizzata prevalentemente per tre scopi principali:
 de-icing
 pressurizzazione
 condizionamento
2.3.1 De-icing delle ali e dei motori
La protezione degli aerei dal ghiaccio dovuto alle bassissime temperature presenti in
quota ha rappresentato e rappresenta tuttora una delle principali sde con la quale si
deve confrontare il mondo aeronautico. Le estremit a delle ali e il rivestimento esterno
dei motori devono essere mantenuti liberi dall’accumulo di ghiaccio in ogni istante.
Nel caso delle ali, l’eventuale presenza di ghiaccio pu o degradarne l’aerodinamica
con un conseguente aumento della velocit a di stallo e rischio di perdita di controllo
dell’aereo. L’accumulo sul motore pu o portare addirittura a fenomeni catastroci.
Figura 2.8. De-icing delle ali
I principi del controllo antighiaccio sono mostrati in gura 2.8: il usso di aria
calda prelevato dal motore e convogliato verso l’estremit a delle ali,  e controllato da
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un’apposita valvola. L’aria viene fatta passare all’interno di un piccolo tubo ad una
pressione di 1.4-1.5 atm. Il principio di de-icing del motore  e ottenuto in maniera
molto simile.
2.3.2 Pressurizzazione
L’aria derivata dal motore viene anche utilizzata per pressurizzare gli ambienti in-
terni in modo da garantire condizioni ambientali confortevoli per i passeggeri e per
l’equipaggio. Tale pressione pneumatica, per o,  e comunemente utilizzata per pres-
surizzare i serbatoi idraulici; alcuni aerei della Boeing utilizzano anche la potenza
pneumatica per aumentare le pompe azionate dal motore e i motori in AC azionati
dalle pompe in alcune fasi di volo. In gura 2.9  e possibile vedere l’interazione tra
un impianto pneumatico ed uno idraulico sfruttando la losoa della Boeing.
Figura 2.9. Interazione sistema idraulico e pneumatico
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