Riassunto analitico
Questa tesi è incentrata sull’ottimizzazione fluidodinamica e sull’implementazione della sovralimentazione per il motore aeronautico RAP 4, con l’obiettivo di ottenere performance di progetto stabili in condizioni operative varianti, alle quali sono soggetti sistemi propulsivi aeronautici.
Il lavoro di ricerca si sviluppa attraverso diverse fasi, che combinano analisi teoriche, simulazioni CFD e validazioni sperimentali, finalizzate a individuare soluzioni innovative per ottimizzare l’integrazione tra compressore e turbina e per affinare la distribuzione dei flussi nei percorsi di aspirazione e scarico.
Nella fase preliminare è stata definita la strategia di sovralimentazione, con boost costante e pressione assoluta target nel collettore di aspirazione, avvalendosi di modelli analitici e del confronto con dati di riferimento. Successivamente, mediante simulazioni stazionarie e transitorie condotte principalmente con Ansys Fluent, è stato ottimizzato il flusso d’aria nell’airbox e nei collettori di scarico, ottenendo una riduzione delle perdite di carico e una distribuzione uniforme tra i cilindri. In particolare, l’adozione di un layout di scarico a configurazione 4-1, a pressione costante, integrato con un pulse-converter, ha consentito di minimizzare le interferenze.
L’analisi complessiva ha poi verificato la compatibilità e le prestazioni del gruppo turbocompressore che verrà successivamente utilizzato per le prove sperimentali del prototipo, dimostrando che il sistema sovralimentato soddisfa i requisiti prestazionali richiesti, garantendo un equilibrio ottimale tra efficienza, affidabilità e semplicità costruttiva.
È infine stata concepita una versione prototipale del RAP 4-TURBO, comprensivo delle modifiche necessarie alle sue componenti, tra cui il sistema di lubrificazione. Questo prototipo sarà sottoposto a prove sperimentali su banco prova, al fine di calibrare il suo funzionamento in relazione alle prestazioni ottenibili.
L’approccio multidisciplinare adottato ha permesso di identificare le condizioni operative critiche e di proporre soluzioni progettuali innovative volte al miglioramento delle prestazioni complessive del motore.
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Abstract
This thesis focuses on the fluid-dynamic optimization and implementation of supercharging for the RAP 4 aircraft engine, with the aim of achieving stable design performance even under varying operating conditions typical of aircraft propulsion systems.
The research is developed through several stages that combine theoretical analyses, CFD simulations, and experimental validations, all aimed at identifying innovative solutions to optimize the integration between the compressor and the turbine, as well as refining the flow distribution in the intake and exhaust paths.
In the preliminary phase, the supercharging strategy was defined by establishing a constant boost and a target absolute pressure in the intake manifold, using analytical models and comparisons with reference data. Subsequently, stationary and transient simulations, conducted primarily with Ansys Fluent, were used to optimize the airflow in the airbox and exhaust manifolds, achieving a reduction in pressure losses and a uniform distribution among the cylinders. In particular, the adoption of a 4-1 exhaust layout, maintained at constant pressure and integrated with a pulse converter, allowed for the minimization of interferences.
The overall analysis then verified the compatibility and performance of the turbocharger assembly, which will be used later for experimental testing of the prototype, demonstrating that the supercharged system meets the required performance specifications while ensuring an optimal balance between efficiency, reliability, and simplicity of construction.
Finally, a prototype version of the RAP 4-TURBO was conceived, incorporating the necessary modifications to its components, including the lubrication system. This prototype will undergo experimental testing on a bench to calibrate its operation relative to the achievable performance.
The multidisciplinary approach adopted has allowed the identification of critical operating conditions and the proposal of innovative design solutions aimed at improving the overall performance of the engine.
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