1.SCOPO DEI MODELLI DINAMICI
I progettisti hanno iniziato a sviluppare modelli dinamici con lo scopo di studiare il transitorio quando il motore passa da una condizione di regime ad un'altra.La conoscenza del transitorio che un sistema propulsivo ha durante una manovra permette:
1. La predizione delle prestazioni in transitorio per i punti che appartengono all’inviluppo di volo della famiglia dei velivoli sui quali dovrà essere installato. Di particolare interesse è la conoscenza del comportamento del motore per i punti estremi dell’inviluppo.
2. La verifica del funzionamento del motore in manovre che nella realtà non possono essere realizzate tramite prove “full scale” a causa della pericolosità. 3. Un analisi delle prestazioni dalla quale gli ingegneri traggono utili informazioni
che sono utilizzate in fase di progetto concettuale al fine di guidare la realizzazione del motore.
4. La realizzazione di simulazioni per la verifica del funzionamento del motore accoppiato con gli apparati idraulici e meccanici di supporto al motore stesso (pompe, ecc) ed i relativi sistemi di controllo.
5. La progettazione e la verifica del sistema di controllo che regola la variazione dei giri del motore.
Come ultima possibilità il modello che rappresenta la dinamica del motore può essere inserito in quello della dinamica del velivolo per la simulazione del volo e la verifica del comportamento del velivolo completo.
Ad esempio nei sistemi di comandi di volo elettroidraulici, le portate di olio disponibili per gli attuatori primari dei comandi di volo dipendono dal numero dei giri dei motori. È utile fornire qualche spiegazione di alcune delle voci che costituiscono l’elenco posto sopra.
Punto 1
Nella realtà è molto difficile o impraticabile provare il motore per le condizioni che rappresentano i punti estremi dell’inviluppo di volo [3] e di conseguenza è impossibile avere dei risultati che ne mostrano il comportamento.
I dati relativi a tali situazioni sono di capitale importanza, perché necessari per avere la certificazione dall’ente preposto ai nuovi prodotti da immettere sul mercato.
L’ente certificante (Airworthiness Autohorities) accetta i risultati forniti dai modelli dinamici per questi punti particolari dell’inviluppo di volo se i dati sperimentali e quelli ottenuti tramite simulazioni effettuate al computer sono sostanzialmente coincidenti per le principali condizioni operative.
Punto 3
Le informazioni che gli ingegneri deducono dall’analisi del transitorio ottenuto dalle simulazioni sono adoperate per verificare se le scelte fatte nella fase di progetto sono adeguate per il motore da realizzare.
Ad esempio è importante effettuare una verifica del margine di pompaggio, che è la minima distanza tra la retta di regime e la linea di pompaggio.
Lo scopo di questa verifica è accertarsi che per tutte le condizioni operative chiave la linea di equilibrio dinamico del compressore non oltrepassi la linea di pompaggio. È bene sottolineare che non esiste un valore di riferimento del margine di pompaggio in quanto questo è fortemente influenzato dalla configurazione del propulsore [3].
Punto 4
L’effettuazione di simulazioni nelle quali interagiscono la dinamica del motore con quella degli apparati meccanici e idraulici a supporto del propulsore permette [3]:
1. Di verificare che non ci siano malfunzionamenti dovuti all’accoppiamento delle dinamiche delle diverse entità che costituiscono l’insieme formato dal motore e dagli elementi a suo supporto.
2. All’azienda costruttrice del motore di provare apparati idraulici e meccanici provenienti da diversi fornitori e avere la possibilità di scegliere quelli che meglio si adattano al propulsore da costruire.
Concludiamo dicendo che le dinamiche degli apparati a supporto del motore devono essere realistiche, perciò i codici che ne descrivono il comportamento sono progettati su dati e informazioni acquisiti direttamente dalle aziende produttrici di tali componenti. Punto 5
Il controllo dei giri del motore avviene regolando l’immissione di carburante nella camera di combustione per mezzo di sistemi che si basano su due differenti filosofie [3]:
• Misura del numero dei giri.
• Misura della velocità di variazione del numero dei giri (Ndot).
Il primo di questi è stato usato tradizionalmente per il controllo degli apparati idraulici e meccanici a supporto del motore.
ha fatto il suo ingresso in campo motoristico.
La peculiarità della tecnica Ndot è quella di controllare efficacemente rapide accelerazioni o decelerazioni del numero dei giri del motore.
Per questo motivo tale sistema di controllo è stato adottato quasi esclusivamente in campo aeronautico, in quanto sia in quello navale che terrestre ai motori non sono in genere richiesti rapidi cambiamenti del numero di giri.
Il costruttore quando deve montare su un propulsore uno dei due sistemi di controllo sopra citati si trova in difficoltà, perché la preferenza dell’uno o dell’altro sistema è molto influenzata dalla configurazione del motore.
L’uso dei modelli dinamici aiuta nella scelta del sistema più adatto, data la configurazione del motore, facendo risparmiare all’azienda tempo e denaro.
A titolo di esempio nel testo “Gas turbine performance” [3] vengono presentati i risultati di una simulazione quando un sistema propulsivo costituito dai seguenti componenti: presa d’aria, compressore, camera di combustione, turbina e ugello di scarico è soggetto ad entrambi i sistemi di controllo.
Sono illustrati [3] due casi: il primo dove tutti i componenti sono nuovi ed un secondo in cui tutti gli elementi sono nuovi tranne il compressore che è deteriorato a causa di “stress” termici.
Regolazione della misura del numero di giri
fig.1.1 Giri motore-tempo
nuovo
deteriorato
Osservando i grafici della figura 1.1 notiamo che in fase di accelerazione questa è più lenta quando il compressore è deteriorato rispetto a quando è nuovo; mentre in fase di
decelerazione questa è più rapida quando il compressore è rovinato rispetto a quando è nuovo.
fig.1.2 Schema mappa normalizzata compressore
Linea di pompaggio Linea di equilibrio dinamica:compressore deteriorato c des c Π Π Linea di equilibrio dinamica: compressore nuovo Linea di regime des rid rid Q Q
Dalla figura 1.2 vediamo che le linee di equilibrio dinamico per i due casi trattati sono quasi coincidenti.
Questo vuol dire che se la linea “transitoria” nella manovra più pericolosa non oltrepassa la linea di pompaggio quando il compressore è nuovo certamente questo non accadrà nemmeno quando nel compressore è presente un deterioramento.
Ciò è un fatto importante, perché se la linea di equilibrio dinamico oltrepassa quella di pompaggio si può verificare un malfunzionamento del compressore che può causare un serio danneggiamento del motore.
Il pregio di questo sistema è quello di garantire un comportamento del compressore sostanzialmente indipendente dall’entità del deterioramento; mentre il difetto evidenziato dalla figura 1.1 è che le prestazioni complessive del motore sono influenzate dagli
“stress” termici a cui è soggetto il compressore.
Di conseguenza una grande usura può ridurre di molto le prestazioni del propulsore facendo in modo che non riesca a soddisfare dei requisiti minimi di accelerazione o di decelerazione.
Regolazione della misura della velocità di variazione del numero di giri
fig.1.3 Giri motore-tempo
Dalla figura 1.3 vediamo sia l’accelerazione che la decelerazione sono indipendenti dal deterioramento presente nel compressore.
fig.1.4 Schema mappa normalizzata compressore
Linea di equilibrio dinamica: compressore nuovo Linea di pompaggio des rid rid Q Q Linea di regime Linea di equilibrio dinamica:compressore deteriorato c des c Π Π
Osserviamo dalla figura 1.4 che la linea di equilibrio dinamica del caso compressore deteriorato è molto distante da quella di equilibrio dinamico del caso compressore nuovo. Di conseguenza il merito di questo sistema di controllo è quello di mantenere inalterate nel tempo le prestazioni globali del propulsore; mentre il difetto riscontrato è la
possibilità che al crescere del deterioramento la linea che rappresenta il transitorio oltrepassi quella di pompaggio e questo può influenzare negativamente il corretto funzionamento del motore.
A questo punto il progettista, sapendo quali sono i vantaggi e gli svantaggi di entrambi i sistemi di controllo, può scegliere quello che ritiene più idoneo per i requisiti che deve soddisfare.
