Bologna 16 Marzo 2010 Anno Accademico 2008-2009 1

STUDIO E OTTIMIZZAZIONE

DI UN SISTEMA DI

SOVRALIMENTAZIONE PER LA

YR1 AVIO

RELATORE:

Prof. Ing. Luca Piancastelli

CANDIDATO:

Sebastiano Cultrera

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Impostazione del problemaI requisiti fondamentali che un motore destinato all’uso

aeronautico deve avere sono:

•Elevata affidabilità

•Bassi consumi

•Basso rapporto peso/potenza

•Elevata potenza disponibile

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Il motore Yamaha R1

Caratteristiche Tecniche:

• Tipo: 4 cilindri in linea, raffreddato

a liquido, 4 tempi, a benzina

• Cilindrata: 998 cm3

• Rapporto di compressione: 11.8 : 1

• Potenza massima: 111,8 kW (152 CV)

a 10.500 giri/min

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Il problema dei propulsori in

quota

atmothcvatmc

Pn

KVP

2

'

Es. un motore aspirato che al livello del mare sviluppa

una potenza di 600 CV, a 5500 m s.l.m.svilupperà

soltanto 300 CV, a 10000 m s.l.m. svilupperà appena 150

CV.

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Obiettivi:

1- Dimensionamento di un impianto di

sovralimentazione che garantisca una “quota di

ripristino” intorno ai 3000 m

2- Verifica della massima pressione di

sovralimentazione che non induca la detonazione

(sovralimentazione a terra)

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Caratteristiche dell’impianto di

sovralimentazione

Turbo-sovralimentazione a gas di scarico:

• Compressore centrifugo

• Turbina centripeta

• Scambiatore di calore aria-aria

Scelta del compressore

Vincoli progettuali:

• Condizioni dell’aria: Patm = 1,013 bar

Tamb = 25°C

• Regime di rotazione del motore costante

Rapporto di compressione a terra: βc = 2,033

Portata d’aria ridotta: ma = 0,0646 kg/s = 8,98 lbs/min

Rapporto di compressione massimo: βc = 2,7 Quota di ripristino: 3500 m

Indagine di mercato: compressore Garrett

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Verifica della turbinaVincoli progettuali:

• Autosufficienza del turbocompressore: Pc = Pt

• Tgas = 800°C

• t = 0,6

Rapporto d’espansione: t = 1,75

Turbocompressore GarrettGT12 con waste-gate

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Dimensionamento scambiatore

di caloreVincoli progettuali:

• Taria raffr. = 25°C

• varia raffr.= 250 km/h

• Tasp.= 50°C

• maria = 0,116 kg/s

• minor peso possibile

Materiale: alluminio

Potenza termica da dissipare: 4,33 kW

Superficie radiante: 13200 cm2

Scambiatore in alluminio della Alutecno s.p.a.

Dimensioni: 230 x 180 x 45 mm

Massa: 2,5 kg

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Calcolo del massimo rapporto

di compressione ottenibile dal

motore sovralimentatoVincoli progettuali motore

sovralimentato:

•Corsa C = 58 mm

•Alesaggio D = 74 mm

•Giri al minuto = 7000 rpm

•Pressione in ingresso = 1,84 bar

•Limite di pressione ottenuto sperimentalmente sul

motore Yamaha R1: 90 bar

Per il calcolo del massimo

rapporto di compressione si è

fatto ricorso al programma

GT – Power :

Massimo rapporto di

compressione ottenuto

= 6,3 :1

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Pressione massima nel cilindro

ad un regime di 7000 rpm

In base ai calcoli con GT – Power la pressione massima è

di 89,95 bar, minore di 90 bar, per cui questo valore

scongiura il pericolo di detonazione

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Determinazione del consumo a

scoppio del motore aspirato

Dove:

• P = potenza erogata a 7000 rpm dal motore aspirato = 75,2 kW =

=102,2 Cv

• n = 7000 rpm

• 2 = costante legata ai motori quattro tempi

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Calcolo del consumo a scoppio del

motore sovralimentato

kg 4103___

aspariaaspccV

cV

vaspariam

sovrariam

sovrq

aspariam

aspq

__

scoppiokg

aspariam

sovrariam

aspq

sovrq /1061,4

_

_ 5

kg 4106,5___

sovrariasovrccV

cV

vsovrariam

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Calcolo della massima potenza

teorica estraibile dal motore

sovralimentato

3,01

spf

thCQ

skgnq

qsovrscoppio

sovrs/0107,0

60

2_

_

Dove:

• Qf = potere calorifico = 10400 kcal/kg

• Csp = consumo specifico = 276 g/kWh

CVkWQqPfthsovrssovr

4,190140_

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Considerazioni sulla massima

potenza estraibile dal motore

sovralimentato

CV 4,190kW 140 sovr

P

• Superiore dell’80% rispetto al motore aspirato

• Modifiche sui componenti del motore (albero, bielle..)

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Conclusioni

• L’impianto di sovralimentazione dimensionato

garantisce una quota di ripristino di 3000 m s.l.m.

• Il motore sovralimentato può sviluppare una potenza

massima teorica di 140 kW con un rapporto di

compressione volumetrico pari a 6,3:1 senza detonare