ECTS - University of Pisa
Scheda programma d'esame
AIRCRAFT PROPULSION
FABRIZIO PAGANUCCI
Academic year2020/21
CourseAEROSPACE ENGINEERING
Code468II
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
MOTORI PER AEROMOBILIING-IND/07LEZIONI120
FABRIZIO PAGANUCCI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Il corso ha lo scopo di introdurre gli allievi alla propulsione aeronautica con motori a turbina ed a pistoni, fornendo loro le nozioni basilari di termo-fluidodinamica e di tecnologia per la classificazione, descrizione e selezione dei motori, l’analisi quantitativa delle loro prestazioni in condizioni stazionarie e non stazionarie. Vengono illustrate le metodologie per il dimensionamento preliminare dei componenti (in particolare prese d’aria, compressori, eliche, camere di combustione, turbine e scarichi). Il corso introduce inoltre le principali strategie di manutenzione e le tecniche di monitoraggio delle condizioni del motore. Durante le ore di esercitazioni gli allievi vengono guidati all’utilizzo di strumenti informatici per l’analisi parametrica delle prestazioni dei motori e la progettazione preliminare dei componenti.
Knowledge

The course is aimed at introducing the students to aircraft propulsion with turbo and reciprocating engines. Basic notions of thermo-fluidynamics and engine technology are given for classification, description and selection of the engines, for the quantitative analysis of their performance in steady and unsteady conditions. Methods for the preliminary design of engine components (air intakes, axial and radial compressors and turbines, combustion chambers and exhaust nozzles) are illustrated. The main maintenance strategies and engine condition monitoring techniques are also introduced. A significant part of the course is devoted at training the students in computer assisted parametric calculations of engine performance and component preliminary design.

Modalità di verifica delle conoscenze

Le conoscenze acquisite vengono verificate attraverso:

  • lo svolgimento di esercizi numerici nel corso di una prova in itinere alla fine del primo semestre o comunque preliminare al colloquio;
  • un colloquio individuale;
  • una prova al PC.
Assessment criteria of knowledge

The knowledge gained will be checked through:

  • conducting numerical exercises through a test in progress at the end of the first semester or otherwise prior to the oral examination;
  • an oral examination;
  • a computer test.
Capacità

Alla fine del corso, lo studente dovrà essere in grado di:

  • classificare, descrivere e selezionare i motori di impiego aeronautico;
  • analizzare quantitativamente le loro prestazioni in condizioni stazionarie e non stazionarie;
  • eseguire il dimensionamento preliminare dei componenti (in particolare prese d’aria, compressori ed eliche, camere di combustione, turbine e scarichi).
  • sviluppare ed utilizzare modelli implementati in ambiente Matlab. 
Skills

The student who successfully completes the course will be capable of: 

  • recognizing and classifying the aircraft engines and their components;
  • properly using the performance maps of the engines and their components;
  • performing preliminary calculations of engine performance;
  • performing a preliminary design of the engines and their components;
  • understanding engine condition monitoring techniques and maintenance programmes.
Modalità di verifica delle capacità
  • Nelle prove in itinere o preliminari gli studenti sono chiamati a riconoscere schemi di motori o loro parti, impianti motore ecc.
  • Inoltre vengono loro proposti esercizi numerici che devono essere svolti esaustivamente, in modo che si possa apprezzare il risultato finale in termini quantitativi. 
  • Nel colloquio individuale lo studente viene posto davanti a problemi aperti, dove deve dimostrare la capacità di applicare le nozioni acquisite in maniera olistica e critica.
  • La prova informatica ha lo scopo di verificare quanto lo studente sia in grado di utilizzare Matlab con adeguata padronanza.
Assessment criteria of skills
  • In preliminary tests the students are called to recognize schematics of engines or engine parts etc.
  • Numerical exercises are proposed to be done exhaustively, so that the results can be assessed in quantitative terms.
  •  During the oral examination the student is placed in front of open problems, where he must demonstrate the ability to apply the knowledge gained in a holistic way and criticism.
  • The computer test is intended to verify that the student is able to use Matlab with adequate mastery.
Comportamenti

Il corso intende introdurre lo studente alla propulsione aeronautica con un approccio ingegneristico, ovvero dove gli strumenti fisico-matematici sono utilizzati per la comprensione del funzionamento delle macchine, il calcolo delle prestazioni ed il loro dimensionamento.

Viene data enfasi sull'uso di modelli di ordine ridotto per la stima delle prestazioni ed il dimensionamento preliminare dei motori e delle sue parti.
Behaviors

The aim of the course is to introduce the student to the aeronautical propulsion with an engineering approach, where the physical-mathematical tools are used for understanding the operation of the machines, the performance calculation and their design.

Emphasis is given on the use of reduced order models for estimating performance and preliminary sizing of motors and its parts.
Modalità di verifica dei comportamenti

Nel corso delle prove di esame si valuta con attenzione la capacità critica dello studente verso i risultati numerici ottenuti.
Assessment criteria of behaviors

The critical capacity of the student toward the numerical results obtained is carefully evaluated.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
  • Tutti i contenuti dei corsi del primo anno del CdS.
  • I contenuti del corso di Termodinamica Applicata e di Impianti Aeronautici del secondo anno del CdS.
Prerequisites
  • All contents of the courses of the first year of the CdS.
  • The contents of the course of applied thermodynamics and Aeronautical Systems of the second year of the CdS.
Indicazioni metodologiche
  • Le lezioni frontali vengono prevalentemente svolte con l'ausilio di slide, integrate con la lavagna.
  • Per alcuni argomenti, vengono proiettati filmati esplicativi.
  • Le esercitazioni  sono svolte in aula ed in aula informatica.
  • Le esercitazioni in aula consistono dello svolgimento di alcuni problemi numerici, esplicativi degli argomenti trattati. I problemi sono analoghi a quelli proposti per lo studio personale ed all'esame. Gli esercizi svolti durante lo studio personale sono rivisti su richiesta durante le ore di ricevimento. 
  • Le esercitazioni in aula informatica sono finalizzate all'acquisizione delle capacità di programmazione in ambiente matlab, successivamente applicata alla soluzione di problemi di propulsione aerospaziale.
  • Viene svolta una esercitazione fuori sede presso un'officina di manutenzione di motori aeronautici (normalmente presso la 46sima Brigata Aerea).
  • Tutto il materiale didattico utilizzato a lezione, ampiamente integrato da altro materiale tecnico e scientifico, inclusi siti web, filmati ecc. è messo a disposizione degli studenti tramite il sito elearning.
  • Il sito elearning è utilizzato per tutte le comunicazioni agli studenti e la gestione degli esami.
  • Il ricevimento settimanale è accessibile agli studenti senza prenotazione.
  • Viene proposta una prova scritta intermedia inerente gli argomenti svolti nel primo semestre.

 

 
Teaching methods
  • The lectures are mostly carried out with the help of slides, integrated with blackboard.
  • For some topics, explanatory films are screened.
  • The exercises are conducted in the classroom and in the computer room.
  • The classroom exercises consist of some numeric problems, explanations of the topics covered.
  • The problems are similar to those proposed for personal study and examination. The exercises are reviewed upon request during office hours. 
  • Informatic training is aimed at the acquisition of skills of programming in matlab, then applied to the solution of problems of aerospace propulsion.
  • A visit is carried out at a workshop of maintenance of aircraft engines (normally at the 46th air Brigade).
  • All teaching materials used in class, amply supplemented by more technical and scientific material, including web sites, films etc are made available to the students via the elearning site.
  • The elearning site is used for all communication to the students and the administration of examinations.
  • Office hours are accessible to students without reservation.
  • Mid-term written exam is offered concerning the arguments put forward in the first part of the course.
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Introduzione

Panoramica sulla propulsione aerospaziale. Richiami sull'atmosfera terrestre. Definizioni e classificazione dei propulsori aerospaziali. Cenni sui motori endotermici chimici ed elettrici. Moto del velivolo sul piano longitudinale. Definizione di spinta. Il turbogetto semplice. Descrizione dei moduli del motore. Configurazioni delle turbomacchine. Ciclo Brayton ideale. Il generatore di gas e classificazione delle turbomacchine di impiego aeronautico. Requisiti e vincoli dei motori per applicazioni civili. Generalita' sui requisiti dei motori per applicazioni militari. Spinta specifica e rapporto spinta/peso. Post-combustione. Motori a doppio flusso. Rapporto di diluizione. Classificazione motori a doppio flusso. Generatori di coppia: schemi di turbo-alberi e turbo-eliche.

 

Nozioni fondamentali di termofluidodinamica

Formulazione integrale delle equazioni della termofluidodinamica (massa, quantita' di moto, momento della quantita' di moto, energia. Flusso stazionario unidimensionale in un condotto. Equazioni di stato termiche e caloriche. Fluido incomprimibile: equazione di Bernoulli. Gas termicamente e caloricamente perfetti. Equazioni del flusso unidimensionale per un gas caloricamente perfetto. Definizione delle proprieta' totali. Flusso isoentropico di un gas caloricamente perfetto in un condotto di aria variabile. Flussi alla Rayleigh ed alla Fanno. Ugelli di espansione. Ugelli conici ed a campana. Criteri di dimensionamento (cenni al metodo di Rao). Equazione calorica per gas termicamente perfetto e sviluppi. Equazioni di stato termica e calorica per gas reali. Fattore di comprimibilità. Diagramma di Mollier.

 

Prestazioni dei motori aeronautici

La spinta dei turbogetti e del turboelica. Potenza equivalente. Rendimento complessivo, rendimento termodinamico e rendimento di spinta. Formula di Breguet. Il rendimento termodinamico ed il lavoro specifico del ciclo Brayton ideale. Campi di applicazione ottimale dei motori a singolo e doppio flusso e dei turbo-elica. TSFC, BSFC, EBSFC.

 

Analisi termodinamica dei motori aeronautici

Prese d'aria subsoniche. Compressore. Camera di combustione: bilancio termico. Turbina. Ugelli di scarico. Bilancio meccanico. Rendimento politropico e legame con rendimento isoentropico. Trattamento degli spillamenti d'aria e potenza per ausiliari. Teorema di Buckingham. Variabili corrette. Esempi di mappe e loro utilizzo. Effetto dinamico. Schema dell'autoreattore.

 

Elementi di turbomacchine

Configurazioni delle turbomacchine e classificazione. Analisi termodinamica dello stadio. Analisi meccanica: momento torcente e potenza. (equazione di Eulero).  Grado di reazione. Stadio compressore assiale. Nomenclatura. Teoria elementare: i triangoli delle velocita': casi notevoli. Flusso bidimensionale: fluidodinamica delle schiere. Coefficiente di pressione e fattore di diffusione. Flusso tridimensionale:criteri di dimensionamento di una paletta. Compressori radiali. Criteri di dimensionamento preliminare della girante di un compressore centrifugo. Flusso nello statore senza palette. Calcolo del rendimento isoentropico. Perdite nelle turbomacchine. Perdite di trafilamento. Problemi di stabilità nelle turbomacchine. Stallo e pompaggio. Analisi dimensionale applicata alle turbomacchine: mappe del compressore e della turbina. Funzionamento off-design. Matching compressore turbina. Sollecitazioni meccaniche nelle turbomacchine. Equilibratura degli alberi. Momento giroscopico. Velocità critiche degli alberi. Sollecitazioni meccaniche su dischi e palette. Diagramma di Campbell. Sollecitazioni termo-strutturali in turbina. Tecniche di raffreddamento attivo e passivo. . Criteri di scalatura delle turbomacchine.

 

Camere di combustione

Caratteristiche generali. Proprieta' dei combustibili aeronautici. Deflagrazione e detonazione. Accensione e propagazione della fiamma. Configurazione generale di una camera di combustione aeronautica. Iniezione del combustibile. Atomizzazione: numero di Weber e di Ohnesorge. Weber critico. Ugelli di iniezione: a getto ed air blast, vorticatore. Stabilizzazione della fiamma. Produzione di inquinanti, configurazioni (tubolare, anulare e cannulare). Perdite di pressione. Rendimento di combustione. Mappe della camera di combustione. Post-bruciatori.

 

Eliche aeronautiche

Analisi dimensionale. Teoria impulsiva semplice. Teoria impulsiva generale. Il sistema vorticoso dell'elica. Teoria generale dell'elemento di pala. Curve caratteristiche. Configurazioni a passo fisso ed a passo variabile. Mappe dell'elica.

 

Cenni sull’analisi dei regimi transitori dei motori aeronautici

Modello a parametri concentrati. Bilancio meccanico. Equazioni di bilancio di massa ed energia. Stima delle costanti di tempo. Esempio di manovre e di sequenza di avviamento motore.

 

Impianti del motore

Sistemi di inversione della spinta. Iimpianto combustibile. Sistemi di controllo del motore. FADEC. Impianto lubrificazione. Impianto aria. Impianto indicazioni motore. Tecniche di misura e trasduttori: ruota fonica, termocoppie e termoresistenze, sonde di pressione, torsiometro.

 

Introduzione alle tecniche di manutenzione dei motori aeronautici

Nomenclature e definizioni: sicurezza, affidabilita', disponibilita' e manutenibilita'. Classificazione dei guasti. Cenni sulla teoria dell'affidabilita'. Strategie manutentive (TBO, TBO a moduli, per condizione, ERAN). Tecniche di Engine Condition Monitoring. Ispezioni visive: il boroscopio. Trend Analysis. Gas Path Analysis. Tecniche di diagnostica dell'olio di lubrificazione.

 

Motori a pistoni

Classificazione, schema. Nomenclatura e parametri fondamentali. Componenti del motore. Ciclo a quattro tempi. Sistema di distribuzione. Ciclo a due tempi. Analisi termodinamica: ciclo Otto e ciclo Diesel ideali. Rendimenti termodinamici ideali. Ciclo indicato e rendimento indicato. Diagramma delle pressioni. Rendimento organico. Potenza effettiva. Cinematica e meccanica del sistema manovella-biella-stantuffo.

Coppia motrice media. Grado di irregolarità del motore. Curve caratteristiche. Piano quotato dei consumi. Rendimento volumetrico. Diagramma della distribuzione. Effetto della quota. Fattore di potenza. Criteri di scelta del rapporto corsa/diametro. Immissione del combustibile. Schema del carburatore semplice. Carburatore ad iniezione. Schema motore ad iniezione diretta. Sovralimentazione. Curve di calibratura e loro utilizzo. Impianti motore.

 
Syllabus

The course is aimed at introducing the students to aircraft propulsion with turbo and reciprocating engines. Basic notions of thermo-fluidynamics and engine technology are given for classification, description and selection of the engines, for the quantitative analysis of their performance in steady and unsteady conditions. Methods for the preliminary design of engine components (air intakes, axial and radial compressors and turbines, combustion chambers and exhaust nozzles) are illustrated. The main maintenance strategies and engine condition monitoring techniques are also introduced.
Bibliografia e materiale didattico
  • P. G. Hill, C. R. Peterson, “Mechanics and Thermodynamics of Propulsion”, Addison-Wesley Publishing Company.
  • J. L. Kerrebrock, “Aircraft Engines and Gas Turbines”, MIT Press.
  • H. Cohen, G.F.C. Rogers, H.I.H. Saravanamuttoo, “Gas Turbine Theory”, Longman Group Limited.
  • Rolls-Royce, “The Jet Engine”, Rolls-Royce Limited, Derby.
  • D. Giacosa, “Motori Endotermici”, Editore Hoepli, Milano.
  • Materiale didattico fornito dal docente su http://elearn.ing.unipi.it.
Bibliography

Recommended reading includes the following works: P. G. Hill, C. R. Peterson, Mechanics and Thermodynamics of Propulsion, Addison-Wesley Publishing Company,ISBN 9780201146592. J. L. Kerrebrock, Aircraft Engines and Gas Turbines, MIT Press,ISBN 9780262111621. H. Cohen, G.F.C. Rogers, H.I.H. Saravanamuttoo, Gas Turbine Theory, Longman Group Limited. ISBN 9780132224376. Rolls-Royce, The Jet Engine, Rolls-Royce Limited, Derby, ISBN 9780902121232. D. Giacosa, Motori Endotermici, Editore Hoepli, Milano, ISBN 9788820326333.
Indicazioni per non frequentanti

I contenuti del corso sono ogni anno in parte rielaborati. Si consiglia di tenersi aggiornati sulle ultime versioni dei documenti a supporto delle lezioni tramite e-learn e consultando il docente.

E' molto importante integrare lo studio con lo svolgimento degli esercizi proposti, reperibili su e-learn.
Non-attending students info

The course contents are partially reworked each year. We recommend that you keep abreast of the latest versions of documents in support of the lessons through e-learn and consult the professor.
It is very important to integrate the study with the proposed exercises, available e-learn.
Modalità d'esame
  • Prova (scritta) in itinere o preliminare al colloquio individuale. Sono proposti collettivamente due esercizi numerici più uno descrittivo. Lo studente è ammesso a proseguire con il colloquio solo se la prova ha avuto esito soddisfacente. La prova può essere ripetuta senza limitazioni.
  • Colloquio individuale. Allo studente sono posti tre quesiti, alcuni nella forma di problemi aperti. Lo studente viene quindi lasciato da solo ad organizzare le risposte, che vengono quindi discusse con il docente.
  • Prova di informatica. Può essere svolta senza vincoli rispetto alle altre prove. Allo studente vengono posti dei quesiti matematici o semplici problemi propulsivi, da risolvere tramite programmazione in ambiente Matlab.

 
Assessment methods
  • Test (written) midterm or final exams prior to the interview.  Two numerical exercises plus a descriptive are collectively offered. The student is allowed to continue with the interview only if the test comes back fine. The test may be repeated without restrictions.
  • Individual interview. Three questions, some in the form of open issues, are asked. The student is then left alone to organize the answers, which are then discussed with the lecturer.
  • Computer science test. Mathematical questions are asked or simple propulsion problems, to be solved by programming in Matlab.
Updated: 10/09/2020 15:21