Il corso si propone di presentare e di fornire agli studenti le problematiche e le metodologie utilizzate per il progetto (60 ore) e per il controllo (20 ore) dei propulsori aeronautici a turbina, "Gas Turbine Engines".
Il corso è suddiviso in due moduli. Nel primo modulo (60 ore),
partendo dal profilo di missione e dai requisiti e dai vincoli dell'aeromobile ("Request for Proposal", RFP), gli studenti saranno messi nelle condizioni di poter effettuare il progetto preliminare globale del propulsore e dei suoi singoli componenti. A tal fine, l'attenzione verrà indirizzata allo sviluppo di un turbofan con mixer che dovrà equipaggiare un "Air-to-Air Fighter" di prossima generazione.
Nel secondo modulo (20 ore) verrà data particolare importanza al progetto del controllo del sistema propulsivo ed in particolare gli studenti verranno guidati nel progetto di un sistema di controllo FADEC (Fully Authority Digital Engine Controller) per un turbomotore.
This course attempts to capture the essence of the aircraft engines design process by means of a realistic and complete design experience including control engine design.
The course is divided in two modules. The first one (60 hours)
starting by the Request for Proposal’s document (RFP) for the aircraft/engine system the students will learn the main principles behind the aircraft engine design process and its components. In particular,
the attention will be focused on the design process for a modern mixer turbofan developed for an Air-to-Air next generation fighter.
The second module (20 hours) is dealing with the project of the control system of a modern propulsion system. Students will learn the basic principle of the design process for a FADEC (Fully-Authority-Digital-Engine-Controller).
Conoscenza delle problematiche connesse al progetto e lo sviluppo del motore e dei suoi componenti..
Capacità di valutazione critica nelle scelte progettuali, capacità di lavoro in team di sviluppo.
Knowledge of the general design process for the main engines and its components.
Ability to evaluate the design choices and to work in a design team.
Gasdinamica, Fondamenti di Macchine, Motori per Aeromobili.
Gasdynamics, Thermodynamics, Fundamentals of Machine, Aircraft Engine
Progetto Motore (60 ore)
Il processo del progetto: richiami di termodinamica, filosofia del progetto, esempio dei requisiti di missione per un AAF (Air-to-Air Fighter). Analisi dei vincoli: prestazioni di volo in termini di spinta e carico alare, analisi delle manovre di volo, carichi aerodinamici, inviluppo di volo. Analisi di missione: termodinamica del volo, pesi e consumo di carburante, esempio di analisi di missione (RFP) per un AAF. Analisi parametrica e prestazionale del ciclo termodinamico: spinta installata e non installata, consumo specifico, il modello di gas, portata d'aria e spillamenti, rendimenti dei componenti, analisi prestazionale “off-design” del motore e dei componenti, selezione del motore più appropriato, analisi di sensitività, parametri adimensionali, mappe di compressore, combustore, turbina, il "matching" dei componenti. Dimensioni di massima del motore: resistenza addizionale per presa d'aria e ugello di scarico, dimensionamento della presa, dimensionamento dell'ugello di scarico,
scelta del numero di motori. Progetto dei componenti motore: quantità globali e di interfaccia, linea di funzionamento del motore, elementi di progetto delle turbomacchine (fan, compressore, turbina) con relativo "flowpath", sistema di combustione e componenti, presa d'aria e ugello.
Controllo Motore (20 ore)
Richiami di controlli automatici. La trasformata di Laplace. I sistemi dinamici. Caratterizzazione di sistemi dinamici Linear Time Invariant. Controllo in anello aperto. Stabilità dei sistemi lineari. Controllo in anello chiuso. I regolatori PID.
Simulazione numerica di architetture motore in condizioni fuori prgetto e in instazionario. Estrazione di modelli lineari di motore dalla simulazione numerica.
Progetto del FADEC. progetto dei set-point controllers. Progetto dei transient controllers. Controllo dei limiti macchina. Startegie di integrazione dei vari modi di controllo.
Engine Design
The design process: design philosophy, Request-for-Proposal (RFP) for an Air-to-Air fighter (AAF),
RFP for typical cargo and passenger aircraft, choosing the right engine architecture.
Constraint analysis: flight performances, thrust and weight loading, aerodynamics loads and flight envelope, choosing the design point.
Mission analysis: thermodynamics of flight, fuel and payload weight, take-off weight. Parametric and performances cycle analysis: engine design point determination, installed thrust and specific fuel consumption, off-design analysis, choosing the right engine, component matching.
Sizing the engine.
Engine component design: global and interface quantities, inlet, nozzle, fan, compressor, turbine, combustor, afterburner. The engine flow-path and the final geometry.
Engine Control
Generality. Elements of dynamic control systems. LTI dynamical systems. Response in open-loop linear dynamic systems. Control in closed-loop. Stability of open systems and closed-loop. PID controllers. Numerical approaches to the prediction of the engine dynamics. FADEC and set-point controllers design. Transient controllers design.
Le esercitazioni saranno di carattere numerico e verteranno sul progetto preliminare globale e dei singoli componenti di un propulsore a turbina (turbofan) per un aeromobile di nuova generazione. In particolare, gli studenti divisi in team (max 4 persone) si occuperanno dello sviluppo di un propulsore per un caccia militare. Sarà obbligatorio per ciascun team presentare una relazione scritta che sarà parte integrale dell'esame finale.
Per le esercitazioni verranno utilizzati i software matlab e EADsys.
Students will be involved in the developing process of a modern aircraft engine and its components.
Students will be organized into working teams (max 4 people for team), each of which will address the engine design for an air-to-air fighter. It is mandatory for each team write a report on the design process. This report will be an integral part of the final examination.
Matlab and AEDsys will be used.
Appunti e materiale didattico verranno forniti dal docente durante il corso.
Per un ulteriore approfondomento si consigliano i seguenti testi:
- J.D. Mattingly, W.H. Heiser, D.T. Pratt, "Aircraft Engine Design - 2nd Edition", AIAA Educational, 2002.
- J.D. Mattingly, H. von Ohain, "Elements of Propulsion: Gas Turbine and Rockets", AIAA Educational, - 2006
- Sobey A.J., Control of aircraft and missile powerplants: an introduction to the analysis and design of engine control systems, Wiley.
- Jaw L.C., Mattingly, J.D., Aircraft Engine Controls Design: system analysis and health monitoring, AIAA Education Series, American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc, Reston, VA
- Walsh P., Fletcher P., Gasturbine performances (second edition). Wiley.
Lecture notes.
For further reading please refere to:
- J.D. Mattingly, W.H. Heiser, D.T. Pratt, "Aircraft Engine Design - 2nd Edition", AIAA Educational, 2002.
- J.D. Mattingly, H. von Ohain, "Elements of Propulsion: Gas Turbine and Rockets", AIAA Educational, 2006.
- Sobey A.J., Control of aircraft and missile powerplants: an introduction to the analysis and design of engine control systems, Wiley.
- Jaw L.C., Mattingly, J.D., Aircraft Engine Controls Design: system analysis and health monitoring, AIAA Education Series.
- Walsh P., Fletcher P., Gasturbine performances (second edition). Wiley.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo; Progetto di gruppo;
Exam: Compulsory oral exam; Group essay; Group project;
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L'esame è orale e prevede due o tre domande relative alla parte teorica e la discussione delle esercitazioni. È richiesta una dettaglia relazione sulle esercitazioni svolte che concorre, assieme all'esame orale, in maniera paritaria alla formulazione del voto finale. L’esame dura circa mezz’ora.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Compulsory oral exam; Group essay; Group project;
The exam is oral. The candidates will be asked to discuss the topics covered during class and tutorials. A detailed report about the tutorials is requested that contributes, together with the oral examination, in an equal manner to the formulation of the final grade. The examination lasts about half an hour.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
