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Scritto da Steve "Snap On"

Wednesday 07 May 2008

……full A/B !

Caratteristiche e principi di funzionamento degli

AFTERBURNERS

Prova motore e test afterburner

Sperando di fare cosa gradita a tutti gli appassionati di aviazione e, sopratutto, ai fanatici dei velivoli militari, con questo breve approfondimento si intende spiegare in termini tecnici molto discorsivi il funzionamento di uno dei dispositivi ausiliari che fanno parte integrante di un motore a getto militare.

Si cercherà di spiegare l’argomento con una terminologia ed esempi abbastanza comprensibili ma, in ogni caso, trattandosi di principi di funzionamento meccanici e termodinamici abbiamo voluto mantenere tutti i riferimenti classici che la materia tecnica impone.

Figura 1a - motore PW 100

Figura 1b - Motore PW100

1 - INTRODUZIONE

La postcombustione (afterburning o reheat) è un metodo utilizzato per aumentare la spinta di un motore e per migliorare le prestazioni di un aeroplano al decollo, in salita e soprattutto nelle operazioni di combattimento ( aeroplani militari).
Si potrebbe ottenere un incremento di potenza anche usando un motore di maggiori dimensioni ma, dato che questo aumenterebbe il peso, l’area frontale ed il consumo specifico di combustibile, si rivelerebbe poco efficiente. La postcombustione rappresenta il miglior sistema per aumentare la spinta per brevi periodi di tempo.

La postcombustione consiste nell’introduzione e nella combustione di carburante nella zona del motore compresa tra la turbina e l’ugello propulsivo del tubo del getto, utilizzando l’ossigeno residuo contenuto nei gas di scarico come illustrato nella figura 2. Il risultante incremento di temperatura dei gas di scarico fornisce una più elevata velocità del getto uscente dall’ugello propulsivo e di conseguenza aumenta la spinta del motore.

Figura 2 - Schema postcombustione

Siccome la temperatura della fiamma di postcombustione può essere superiore a 1700°C, i bruciatori sono sistemati in maniera che la fiamma sia concentrata attorno all’asse del tubo del getto. Questo consente ad una porzione del gas di scarico della turbina di correre lungo la parete del tubo di scarico del getto e di mantenere così la temperatura della superficie del tubo entro un valore di sicurezza.

Allo scopo di ottenere una velocità ridotta del flusso di gas, la sezione di un tubo del getto con postbruciatore è più ampia di quanto sarebbe quella di un tubo del getto normale per lo stesso tipo di motore. Per consentire il funzionamento in tutte le condizioni, un tubo del getto con postbruciatore è fornito di un ugello di scarico regolabile in due posizioni o a sezione variabile (figure 3 e 4).

Figura 3a - Ugello “ petali “ in posizione chiusa

Figura 3b - Ugello di scarico di un motore P&W 100 in posizione aperta

Figura 4 - Sistema di controllo

L’ugello rimane in posizione più chiusa durante il funzionamento normale, ma nel momento in cui viene inserito il postbruciatore, la temperatura dei gas aumenta e l’ugello si apre per fornire una sezione di scarico adeguata al risultante aumento di volume del flusso dei gas. Ciò previene un aumento di pressione che influenzerebbe negativamente il funzionamento del motore e fa sì che la postcombustione possa essere usata entro un ampio campo di velocità del motore.

La spinta di un motore con postbruciatore, quando questo non è inserito, è leggermente inferiore a quella di un motore simile non fornito di questo accessorio; questo è dovuto alle restrizioni dovute alla geometria del tubo del getto. Anche il peso complessivo del sistema propulsivo è maggiore a causa delle maggiori dimensioni dello scarico e degli accessori del dispositivo di postcombustione.

Nei motori a diluizione, la postcombustione è ottenuta miscelando il flusso di by-pass con quello proveniente dalla turbina, prima che il sistema di stabilizzazione e di iniezione del combustibile venga raggiunto, in maniera tale da permettere che la combustione avvenga nel flusso di scarico miscelato.

Un metodo alternativo è quello di iniettare il combustibile e di stabilizzare la fiamma nei flussi separati di by-pass e della turbina, bruciando i gas disponibili fino ad ottenere una temperatura comune di uscita dall’ugello di scarico. Con questo metodo, l’iniezione di combustibile è fornita separatamente ai due flussi indipendenti ed è normale prevedere una qualche forma di interconnessione tra gli stabilizzatori di fiamma nei flussi caldo e freddo, per favorire i processi di combustione nell’aria fredda di by-pass.

2-FUNZIONAMENTO DELLA POSTCOMBUSTIONE

Il flusso dei gas proveniente dalla turbina del motore entra nel tubo del getto ad una velocità compresa tra 228m/s (750 Ft/s) e 366 m/s (1200 Ft/s) , ma dato che questa velocità è di gran lunga superiore a quella necessaria per mantenere la stabilità della fiamma, il flusso viene diffuso prima che giunga alla zona di postcombustione. In pratica la velocità del flusso viene ridotta e la pressione è aumentata. Poichè la velocità per ottenere una combustione del kerosene a normali rapporti di miscelazione è solo di pochi metri al secondo, qualunque parte di combustibile incendiata in quel flusso di aria diffusa, sarebbe immediatamente spento.

Per questa ragione e per poter ottenere una zona in cui si formino vortici, viene installata a valle dei bruciatori una sorta di stabilizzatore di fiamma allo scopo di facilitare la combustione; in questa fase la velocità locale dei gas viene ulteriormente ridotta a valori tali da mantenere una stabilizzazione della fiamma mentre la combustione è in atto.

Nel tubo del getto viene spruzzato un getto vaporizzato di combustibile per mezzo di un certo numero di bruciatori che sono disposti in modo da distribuire uniformemente il combustibile nella zona in cui è ubicata la fiamma.

La combustione è quindi avviata da un accenditore catalitico che crea la fiamma grazie alla reazione chimica della miscela aria/combustibile spruzzata su un elemento a base di platino, da una candeletta di accensione adiacente al bruciatore, o da una lingua di fuoco proveniente dalla camera di combustione del motore; quest’ultimo metodo è conosciuto come “hot-shot ignition”.

Quando la combustione è avviata, la temperatura del gas aumenta ed i gas in espansione accelerano attraverso l’ugello propulsivo con sezione ingrandita per fornire la spinta aggiuntiva.

In considerazione dell’alta temperatura dei gas d’ingresso al tubo del getto provenienti dalla turbina, si potrebbe presupporre che la miscela s’incendi spontaneamente. Ciò non avviene, perchè, nonostante fiamme fredde si formino a temperature fino a 700°C, la combustione non può avvenire al di sotto di 800°C.

Se le condizioni fossero tali da rendere possibile l’autoaccensione anche a livello del mare, è difficile che la stessa sia possibile a quote di volo alle quali la pressione atmosferica è bassa. La scintilla, o fiamma, che da origine alla combustione deve essere di tale intensità da causare un’accensione (light-up) ad altitudini considerevoli. Per un funzionamento regolare del sistema, è richiesta una fiamma stabile che bruci con continuità un’ampia varietà di rapporti di miscela e di portate di gas. La miscela deve essere anche facile da incendiare in tutte le condizioni di volo e la combustione deve essere mantenuta con la minima perdita di pressione.

3- AUMENTO DELLA SPINTA

L’aumento di spinta dato dalla postcombustione dipende unicamente dal rapporto tra le temperature assolute nel tubo del getto prima e dopo la combustione del combustibile supplementare. Per esempio, trascurando le piccole perdite dovute ai dispositivi per la postcombustione e le variazioni di quantità di moto del flusso dei gas, l’incremento dì spinta può essere calcolato come segue:

Supponendo una temperatura del gas prima della postcombustione sia di 640°C (913°K) e con la postcombustione di 1269 °C (1542°K), il rapporto delle temperature è:

1542/913=1.69

La velocità del getto aumenta in funzione della radice quadrata del rapportò di temperatura. Perciò, la velocità del getto è √1.69 = 1,3. Così, la velocità del getto è aumentata del 30 percento, ed anche l’incremento di spinta statica, in quest’esempio, è del 30 percento (figura 5).

Figura 5 - Sistemi di iniezione

I motori a diluizione dotati di equipaggiamento per la postcombustione possono fornire incrementi di spinta fino al 70% e questo incremento può essere ottenuto più volte ad elevate velocità di traslazione. Nei motori a diluizione si possono ottenere alti incrementi di spinta a causa delle grandi quantità di ossigeno contenute nei gas di scarico e della bassa temperatura iniziale degli stessi gas.

Non è comunque possibile incrementare sempre più la quantità di combustibile bruciata nel tubo del getto fino ad utilizzare tutto l’ossigeno disponibile, perchè il tubo del getto non potrebbe sopportare le elevate temperature che verrebbero originate.(Figura 6)

Figura 6 - Tabella temperature

4-SISTEMA DI COMANDO

E’ evidente come i due elementi, il flusso di combustibile e la sezione di scarico dell‘ugello propulsivo debbano essere coordinati per garantire un funzionamento soddisfacente del sistema di postcombustione. Normalmente, questi elementi sono associati, rendendo il flusso di combustibile verso i bruciatori dipendente dalla sezione dell’ugello, con il pilota che controlla l’area dell’ugello o il flusso di combustibile, unitamente ad un dispositivo di rilevamento della mandata del compressore e della pressione nel tubo del getto (unità di controllo del rapporto di pressione - Pressure Ratio Control Unit - PRCU).

Quando l’area dell’ugello viene aumentata, il flusso di combustibile al postbruciatore viene aumentato a sua volta; quando l’area dell’ugello viene ridotta, viene ridotto anche il flusso dì combustibile al postbruciatore.

Figura 7 - Sistema di comando

L’unità di controllo del rapporto di pressione garantisce che il rapporto delle pressioni attraverso la turbina rimanga inalterato e che il motore non venga influenzato dal funzionamento del postbruciatore, indipendentemente dall’area dell’ugello e dal flusso di combustibile. A causa degli elevati flussi di combustibile richiesti dalla postcombustione, viene utilizzata una pompa combustibile supplementare. Questa pompa è generalmente del tipo a flusso centrifugo o ad ingranaggi e viene posta in funzione automaticamente quando il postbruciatore viene inserito.

Il sistema e completamente automatico ed ha caratteristiche di sicurezza (faìl-safe) per far fronte ad un’eventuale avaria. Il collegamento tra il sistema di comando ed il tubo del getto con postbruciatore è schematicamente mostrato nella figura 7.

Quando il postbruciatore viene inserito, una serie di segnali di controllo, sia meccanici che elettrici, vengono forniti all’unità di controllo di combustibile del postbruciatore (afterburning fuel control unit). L’unità determina la mandata totale di combustibile della pompa e controlla la distribuzione del flusso di combustibile all’assieme dei bruciatori. Il combustibile inviato ai bruciatori viene incendiato causando un aumento di pressione nel tubo del getto.

Questo determina la caduta di pressione attraverso la turbina (P3/P6 ) e di conseguenza l’area di scarico dell’ugello del tubo del getto viene ampliata automaticamente fino a ristabilire il rapporto P3 / P6 corretto.

Con un ulteriore aumento del grado di postcombustione, l’area dell’ugello viene aumentata progressivamente per mantenere ad un valore soddisfacente il rapporto P3 / P6 . La figura 7 illustra un tipico sistema di controllo di combustibile al postbruciatore. Nel sistema di controllo sono inseriti la pompa di azionamento e dei pistoni da azione pneu-idraulica.

In alcuni impianti il sistema di attuazione dell’ugello del postbruciatore utilizza invece olio lubrificante quale mezzo idraulico, mentre i sistemi più moderni utilizzano lo stesso combustibile come fluido di azionamento. Il movimento dell’ugello è ottenuto grazie ai pistoni idraulici e questi sono pressurizzati da una pompa (nozzle oil pump), la cui portata è controllata da un collegamento elettro-meccanico proveniente dall’unità di controllo del rapporto di pressione [PRCU] (pressure ratio control unit).

Quando viene selezionato un aumento della postcombustione, l’unità di controllo del combustibile del postbruciatore (afterburner fuel control unit) causa un aumento della mandata della pompa combustibile (aumenta il flusso totale di combustibile).

La pressione nel tubo del getto (P6) aumenta, alterando il rapporto di pressione attraverso la turbina (P3/P6 ). L’unità di controllo del rapporto di pressione modifica la mandata della pompa dell’olio, causando una condizione di sbilanciamento tra il carico dei pistoni idraulici ed il carico aerodinamico dei gas sulle alette dell’ugello (Nozzle Flaps).( Figura 8)

Il carico aerodinamico dei gas apre l’ugello per aumentarne la sezione di scarico e, dato che l’ugello si apre, l’aumento dell’area dell’ugello ristabilisce il rapporto corretto delle pressioni in maniera tale che l’unità di controllo del rapporto di pressione modifica la mandata della pompa dell’olio fino a ristabilire l’equilibrio tra i pistoni idraulici ed i gas che premono sulle alette dell’ugello.

Figura 8 - Nozzle Flaps di un turbogetto Tumansky R-15-300 di un caccia Mig 25

5-TUBO DEL GETTO ED UGELLO PROPELLENTE

Il tubo del getto con postbruciatore è fatto di una lega d’acciaio resistente al calore e richiede un maggiore isolamento termico rispetto ad un tubo del getto normale, per evitare che il calore generato dalla combustione venga trasmesso alla struttura dell’aeroplano.
Il tubo del getto può essere costituito da un doppio rivestimento. Il rivestimento esterno sopporta i carichi di volo e quello interno che tollera le sollecitazioni termiche. Tra i due rivestimenti viene sovente indotto un flusso di aria di raffreddamento. Sono anche previste delle predisposizioni per consentire l’espansione e la contrazione del tubo e per prevenire fughe di gas in prossimità degli accoppiamenti principali.

L’ugello propulsivo (figura 9) è di costruzione e di materiali simili a quelli del tubo del getto, al quale è collegato come un assieme indipendente. Un ugello propulsivo di prima generazione era è dotato di due “palpebre” (eyelids) mobili che erano azionate da due attuatori, o da pistoni pneumatici, per ottenere una posizione di apertura o di chiusura.

Figura 9a - Schema ugello Pratt & Whitney

Figura 9b - Ugello Pratt & Whitney

Un ugello propulsivo a sezione variabile, cioè del tipo diffuso su tutti i propulsori militari moderni, ha un anello di alette (flaps) ad incastro che sono incernierate alla carcassa esterna e che possono essere incluse in un involucro, più esterno. Le alette sono spinte a chiudersi dai pistoni ed a portarsi in posizione di massima o intermedia apertura dal carico aerodinamico dei gas di scarico.

Figura 10 - Spruzzatori di fiamma

Ad ogni modo, la posizione delle alette è controllata da un’unità di controllo del rapporto di pressione e da una pompa che fornisce potenza ai pistoni di attuazione. Il sistema dei bruciatori (burner system) è composto da una o più tubature (manifolds) circolari per il combustibile, sostenute da aste profilate nel tubo del getto.

Il combustibile è inviato alle tubature da tubi di alimentazione (feed pipes) posti all’interno delle aste di sostegno e viene spruzzato nella zona ove risiede la fiamma mediante dei fori calibrati ricavati nell’estremità delle tubature.

Il condotto di ritenzione della fiamma (flame retaining gutter), o stabilizzatore (flame stabilizer), è un anello con sezione a V ubicato a valle dei bruciatori.

Figura 11 - Dettagli del postbruciatore di un motore RR Spey 803

Un sistema di bruciatori alternativo di concezione americana è quello dotato di stabilizzatori di guida (pilot burning stabilizers) dove il combustibile è fornito al flusso dei gas che passa tra questi stabilizzatori. Il bruciatore e lo stabilizzatore di fiamma mostrati nelle figure 10 e 11 sono basati su quest’ultimo sistema. Alla parete interna del tubo dei getto è fissato uno schermo circolare per il contenimento del calore (heat shield). Lo schermo, che è corrugato e perforato come illustrato dalla figura 11, previene la creazione di rumore e vibrazioni eccessive da parte dell’instabilità della combustione. Questa potrebbe causare un rapido deterioramento meccanico e fisico del dispositivo di postcombustione.

6-CONSUMO DEL COMBUSTIBILE

La postcombustione comporta sempre un aumento del consumo specifico di carburante ed è soprattutto per questa ragione che generalmente si limita l’uso per periodi di breve durata. Per ottenere il rapporto di temperature richiesto al flusso del gas di scarico bisogna aggiungere altro combustibile. Siccome l’aumento di temperatura non avviene in corrispondenza di un picco di compressione, il combustibile non viene bruciato efficientemente come nella camera di combustione del motore; da ciò deriva un consumo specifico più elevato.

Per esempio, supponiamo un consumo specifico senza postcornbustione di 1,15 Lb/hr/ per lb di spinta al livello del mare ed una velocità di Mach 0,9 come mostrato nella fig. 12, con un grado di postcombustione del 70 percento nelle stesse condizioni di volo, il consumo sarà aumentato fino ad un valore approssimativo di 2,53 lb/hr/lb di spinta.

Figura 12 - Schema consumo carburante

Con un aumento di quota fino a 35.000 ft quest’ultima cifra di 2,53 lb/hr/lb di spinta si ridurrà leggermente a 2,34 lb/hr/lb di spinta a causa della ridotta temperatura dell’aria all’ingresso.
Quando questo consumo addizionale di combustibile viene combinato con le migliori prestazioni al decollo ed all’atterraggio (figura 13), si riscontra che la quantità di combustibile richiesta per ridurre il tempo necessario per raggiungere la quota operativa non è così eccessiva.