Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
Aerospace

Nuova configurazione dello scarico per il convertiplano AW609

Alessandro Introini (Politecnico di Milano), Sebastiano Felice (AgustaWestland S.p.A.)

La baia motore è uno dei componenti più importanti della gondola del convertiplano AW609, in quanto il suo corretto funzionamento garantisce eccellenti prestazioni del velivolo e assicura un sicuro svolgimento di tutte le manovre di volo in qualsiasi condizione di esercizio. La corretta progettazione della gondola e dello scarico è fondamentale per consentire il conseguimento di questi due aspetti operativi, soprattutto per quanto riguarda il raffreddamento della baia motore e l’impatto sull’aerodinamica del velivolo.
Problemi di natura termica, quali il riscaldamento dei pannelli strutturali della gondola e l’eccessivo riscaldamento dell’asfalto in fase di decollo hanno spinto AgustaWestland a trovare e realizzare una nuova e più efficiente configurazione dello scarico. Al fine di ridurre i tempi e i costi di prove sperimentali, è stata richiesta un’analisi CFD volta alla creazione di un modello 3D che potesse simulare e valutare i benefici introdotti dalla nuova configurazione e che potesse validare le misure raccolte sul velivolo durante le atti- vità sperimentali di volo. Per queste ragioni, AgustaWestland ha deciso di puntare sull’utilizzo di STAR-CCM+, poiché in grado di soddisfare le richieste mosse dall’azienda.

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Geometria

Il modello 3D è stato realizzato grazie all’impiego del programma CATIA e comprende l’intero profilo della gondola, il sistema di aspirazione aria e la baia motore.

La gondola è priva del rotore tri-palare, in quanto si è dimostrato in precedenti simulazioni che l’effetto down-wash non ha ripercussioni sulla portata di flusso di aria fresca entrante in baia motore e perciò, la sua introduzione comporterebbe una superflua complicazione costruttiva ai fini dello studio.Il sistema di aspirazione è costituito da una presa d’aria in grado di convogliare l’aria al compressore ed è dotato di un ventilatore, il quale consente di separare qualsiasi corpo solido indesiderato dal flusso d’aria (granelli di sabbia, polvere di asfalto, pioggia e ghiaccio) e di espellerli all’esterno. Con lo scopo di facilitare l’analisi del raffreddamento della baia motore, si è scelto di trascurare ogni accessorio interno del motore, così da evitare onerosi costi computazionali, e di studiare lo sviluppo del flusso all’interno dello scarico primario, al fine di quantificare l’effetto del raffreddamento motore e di definire le proprietà del flusso di aria in uscita.

 

Obiettivi

L’obiettivo principale di quest’analisi è la valutazione del raffreddamento della baia motore attraverso la nuova configurazione dello scarico secondario. Ciò nasce dalla necessità di controllare le temperature operative raggiunte dal motore durante il suo funzionamento. In base ai valori ricevuti dal fornitore, il motore raggiunge temperature sulla superficie esterna dell’ordine di 750 K e risulta fondamentale rispettare i limiti termici operativi, garantendo uno continuo apporto di aria fresca in ogni condizione di volo. La temperatura, la velocità e la direzione del flusso all’uscita dello scarico secondario incidono direttamente sul riscaldamento dei pannelli strutturali della gondola e l’effetto al suolo dei gas di scarico potrebbe portare al deterioramento dell’asfalto degli eliporti durante alcune manovre a terra. Inoltre, lo scarico secondario deve essere progettato per ovviare alle perdite di carico generate da distaccamenti di vena e dal tasso di turbolenza insita nei flussi. Tali perdite hanno dei riscontri non trascurabili sulla prestazione del motore in termini di potenza all’albero motore e di consumo di combustibile. La prestazione del motore è anche subordinata alle perdite di carico presenti nel sistema di aspirazione e alla disomogeneità del flusso in ingresso al compressore. Un approccio computazionale perciò, si rivela uno strumento efficiente per valutare i benefici apportati dalla nuova configurazione e per visualizzare il comportamento dei flussi in relazione alle prestazioni del velivolo.

Casi studio

Quattro casi studio sono stati messi sotto analisi, al fine di osservare i comportamenti del motore e della gondola durante lo svolgimento di un’intera missione di volo. Essa inizia con il decollo del velivolo in modalità elicottero, in cui i due motori erogano la loro massima potenza. In base allo scopo dell’operazione, il velivolo può o permanere in questa configurazione per svolgere manovre di hovering finalizzate al pattugliamento e supervisione di attività al suolo, oppure ultimare la propria conversione, ruotando le gondole a 75°, 50° e 0° rispetto all’asse dell’ala. Le due rotazioni intermedie a 75° e a 50° rappresentano i due assetti principali antecedenti la completa conversione. Vista questa singolare caratteristica è di fondamentale interesse monitorare la variazione di portata di aria fresca entrante in baia in relazione all’angolo di assetto della gondola. Infine, in modalità aeroplano l’angolo di assetto della gondola è pari a 0° e il velivolo è in grado di raggiungere elevate altitudini e la sua massima velocità di crociera. Queste ragioni hanno spinto a focalizzarsi su queste quattro fasi di volo e a evidenziare le variazioni dei principali parametri indici della prestazione del velivolo.

Simulazioni  

L’intera gondola è stata posizionata al centro del dominio esterno di forma cubica (50x50x50 m3) e, grazie all’imposizione di una velocity inlet (intensità e direzione) e di una pressure outlet come condizioni al contorno, è stato possibile simulare i quattro casi studio. Tutte le simulazioni sono state condotte in stato stazionario, con flussi comprimibili e con l’applicazione del metodo k-ω SST per la modellazione della turbolenza, il quale ha dimostrato di portare a buoni risultati anche in altre esperienze. Al fine di rispettare le tempistiche di lavoro, la mesh di volume è stata realizzata con circa 1.5 milioni di celle poliedriche, con 9.5 milioni di facce e con 7.6 milioni di vertici. La trattazione e la risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes sono state effettuate selezionando il Segregated Solver in concomitanza con fattori di sotto-rilassamento. Ciò ha consentito una buona velocità di calcolo per flussi leggermente comprimibili e ha contenuto i tempi necessari per il raggiungimento della convergenza. 

Diagramma della percentuale di aria fresca rispetto al flusso principale in funzione dell’angolo di rotazione della gondola.

Diagramma della quantità di potenza termica asportata dalla parete del motore in funzione dell’angolo di gondola.

Diagramma della temperatura del flusso allo scarico primario in funzione dell’angolo di gondola.

Risultati

L’approccio usato ha fornito dati accurati per ogni condizione di volo e la corrispondenza con i dati sperimentali è stata molto buona. Il modello ha perciò costituito un ottimo strumento di analisi. Il raffreddamento della baia motore si è rivelato strettamente connesso alla portata di aria fresca entrante e la massima differenza tra le temperature simulate e i corrispondenti valori sperimentali è circa 6%. Tutti i limiti termici operativi sono stati rispettati e tutti i valori di temperatura sono risultati al di sotto dei vincoli termici imposti dal fornitore del motore. L’installazione delle sei sonde di pressione allo scarico primario si è mostrata un utile strumento di validazione del modello, in quanto il massimo scostamento dai dati empirici è del 2.9% e le perdite di carico allo scarico coincidono con i valori misurati. Inoltre, la problematica del riscaldamento del pannello sottostante lo scarico è stata risolta, dal momento che i gas caldi di scarico fuoriescono senza lambire la struttura della gondola. Il riscaldamento del suolo sottostante la nacelle, quando il velivolo è a terra, è stato ridotto per effetto del miscelamento dei gas caldi con il flusso di aria fresca e la temperatura registrata al suolo è ben inferiore alla temperatura di fusione dell’asfalto. Dal momento che le due zone calde di scarico rimangono in prossimità delle gondole, ciò garantisce una sicura manovra di decollo senza rischi né per il personale a terra né per le attività secondarie svolte a terra.

Conclusioni

AgustaWestland ha ora a disposizione un affidabile strumento di analisi garantito da STAR-CCM+ e può sfruttarlo per valutare ulteriori condizioni di volo, per apportare modifiche tecniche in breve tempo e a basso costo e per approfondire altre inerenti questioni legate alla termo-fluido-dinamica della gondola. Le future attività di post-processing saranno più efficienti a individuare i possibili miglioramenti e a indirizzare l’azienda verso nuovi sviluppi.

 

Bibliografia

Alessandro Introini, ”Computational fluid dynamics and experimental study of AW609 Tilt Rotor engine bay”, tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica, anno accademico 2013-2014.

 

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