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POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 2011 Capitolo 6 – Impianto pneumatico

Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata.

- 6.1 -

Capitolo 6

Impianto Pneumatico



- 6.2 -

6.1 Introduzione In diversi casi è conveniente sfruttare energia proveniente da aria compressa; questo è so-

prattutto vero quando il velivolo possiede dei motori a turbina ed è quindi possibile disporre di aria prelevata dal suo compressore. Questa si trova a valori di pressione e di temperatura elevati e può quindi essere impiegata sia per pressurizzare che per riscaldare.

Le utilizzazioni più comuni dell'aria compressa così ottenuta sono nei seguenti impianti:

• condizionamento e pressurizzazione; • antighiaccio; • sbrinamento; • pressurizzazione serbatoi olio, combustibile ed acqua; • ventilazione serbatoi combustibile; • travaso di combustibile; • gonfiaggio guarnizioni di tenuta dei portelloni o tettucci apribili; • avviamento motori; • funzionamento di attuatori (in alcune condizioni).

6.2 Generazione La generazione di aria compressa può avvenire attraverso compressori volumetrici o tur-

bocompressori.

6.2.1 Compressori volumetrici I compressori volumetrici comprimono una massa d’aria riducendone il volume, tipica-

mente con un sistema a cilindro e pistone; la portata sarà legata alla velocità di funzionamen-to, ma il rapporto di compressione quasi indipendente da essa e legata alla geometria del ci-lindro. Questi apparecchi vengono fatti funzionare da motori a scoppio, o elettrici, o idraulici.

6.2.2 Turbocompressori

I turbocompressori possono comprimere l’aria accelerandola radialmente (turbocompres-

sori centrifughi) oppure assialmente (turbocompressori assiali), recuperando in seguito pres-sione rallentandola. Il rapporto di compressione dipende dalla velocità di funzionamento.

A bordo di velivoli a turbomotore, si usa quasi nella totalità dei casi spillare aria diretta-mente dal compressore del propulsore. Se serve una grossa portata d’aria spesso lo spillamen-to avviene da due diversi stadi, disponendo così di uno spillamento a bassa pressione ed uno ad alta pressione. Non è infatti consigliabile prelevare tutta l’aria da un unico punto del com-pressore, perché questo comporterebbe una forte variazione della sezione, con decadimento delle prestazioni del compressore. Inoltre, sempre per non ridurre troppo la potenza del pro-pulsore, lo spillamento a bassa pressione è in genere sempre aperto, mentre quello ad alta pressione viene chiuso in caso di necessità, come quando al motore è richiesta di massima spinta.

La pressione a valle della giunzione sarà necessariamente uguale o inferiore a quella della presa a bassa pressione; il fatto di aver alzato la pressione per poi ridurla con un processo



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dissipativo costituisce una perdita energetica, ma indispensabile per i motivi prima accennati e in gran parte ricuperata in temini termici.

Prima di distribuire l’aria compressa così ottenuta si ha normalmente una regolazione di temperatura e di pressione attraverso uno scambiatore di calore ed una valvola regolatrice di pressione.

Fig. 6.1 - Spillamento d’aria dal compressore

Si osservi che con questa tecnica si spilla dal compressore una percentuale relativamente

piccola di portata, tra il 2 e l’8%, ottenendo però una quantità notevole di energia pneumatica. La percentuale di spillamento è molto superiore nell’APU, dove si arriva al 70-80%, ma

ottenendo all’incirca la stessa potenza pneumatica, data la bassa potenza dell’APU rispetto a quella di un propulsore. In tal modo vengono fatte funzionare le varie utenze pneumatiche a terra (in particolare l’impianto di condizionamento); inoltre si ottiene l’aria compressa neces-saria all’avviamento dei propulsori, se questi non dispongono di avviamento elettrico.

È prevista spesso una connessione per l’alimentazione dell’impianto da parte di una mac-china a terra da usare quando i motori del velivolo sono fermi.

6.3 Compressore Il compressiore è una macchina nella quale è definito, per

una certa velocità angolare della girante e per una certa por-tata, il rapporto di compressione:

1

2

pp

=β

Per determinare le condizioni del gas in uscita si può valu-tare la temperatura in uscita in condizioni adiabatiche:

( ) kk

ad TT1

12

−= β

Fig. 6.2 – Simbolo di compressore

p2 p1



- 6.4 -

In realtà il processo non è isoentropico, ma si hanno delle perdite che portano ad una tem-peratura superiore definibile attraverso un rendimento che è funzione del numeri di giri della girante e della portata:

12

12

TTTT ad

c −−

=η

La temperatura reale all’uscita del compressore sarà quindi:

c

ad TTTTη

1212

−+=

Nota la temperatura è facilmente ricavabile la densità ed è quindi completamente definito lo stato dell’aria.

6.4 Regolazione Come per l’impianto idraulico, è desiderabile per il dimensionamento delle utenze che

l’alimentazione sia fornita a pressione (e temperatura) costante al variare della portata. Le condizioni dell’aria spillata da un moderno turbofan possono variare in pressione da 0.2

a oltre 1MPa ed in temperatura da 180 a oltre 350 °C, a seconda dell’altitudine di volo e dal regime del motore.

Dato che in genere questa aria si trova a temperature superiori a quelle necessarie, ponendo anche problemi per una canalizzazione sicura nelle aree in cui deve essere inviata, essa viene anzitutto raffreddata attraverso uno scambiatore di calore a valori attorno ai 175 °C. Di solito si usano scambiatori aria-aria, con portata dell’aria esterna regolata da una valvola di modo da controllare la temperatura. Spesso il flusso del refrigerante è ottenuto per azione dinamica, e quindi è efficace solo in volo; nel caso di turbofan, ormai molto frequente sui velivoli da tra-sporto, si sfrutta aria generata dalla ventola del propulsore, ottenendo una buona refrigerazio-ne anche quando il velivolo è a terra.

Fig. 6.3 – Compressione nel piano TS



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Successivamente una valvola regolatrice porta la pressione ad un valore costante, comu-nemente attorno agli 0.3 MPa.

Sempre analogamente all’impianto idraulico, l’impianto pneumatico viene realizzato in circuiti separati; nel caso di velivolo plurimotore, ogni motore alimenta un circuito, oppure un motore viene lasciato a disposizione per qualsiasi circuito che richieda un supplemento di alimentazione. Sono tuttavia previste delle valvole di alimentazione incrociata, nel caso di guasto di un gruppo di generazione, per l’azionamento delle utenze più importanti (come ad esmpio il sistema antighiaccio).

A parte le ovvie valvole di sovrapressione, sono presenti delle valvole di non ritorno tra lo spillamento a bassa pressione e quello ad alta pressione, per evitare che, in caso di scarsa ri-chiesta dalle utenze e di erronea apertura della valvola dello spillamento di alta pressione, si instauri un flusso che porterebbe ad irregolarità di funzionamento del compressore.

6.5 Utenze La principale utenza dell’impianto pneumatico in termini di portata è sicuramente

l’impianto di condizionamento e pressurizzazione, che verrà trattato in un capitolo a parte. L’antighiaccio, cui pure sarà dedicato quasi un intero capitolo, viene utilizzato sporadica-

mente e con portate abbastanza basse. Lo sbrinamento, la ventilazione e pressurizzazione serbatoi e il gonfiaggio di guarnizioni

dei portelli sono utenze di scarso consumo. L’avviamento dei propulsori di un velivolo parcheggiato a terra viene ottenuto con una

scarica di aria compressa sulla turbina del propulsore stesso, spillata dall’APU. La potenza pneumatica viene convertita in meccanica attraverso turbine; la potenza ottenu-

ta può essere espresso da:

)( 21 TTcmCW P −⋅⋅⋅== &ηω dove: C = coppia all’asse turbina; ω = velocità di rotazione. η = rendimento; &m = portata d’aria in massa; cp = calore specifico a pressione costante dell’aria; T1, T2 = temperature all’ingresso ed all’uscita della turbina;



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La turbina lavora fra due pressioni note; teoricamente si ha una trasformazione adiabatica per cui la temperatura all’uscita della turbina è:

kk

ad ppTT

1

1

212

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

In realtà il processo non è isoentropico e si può introdurre un

rendimento:

adt TT

TT

21

21

−−

=η

da cui:

( )adt TTTT 2112 −−= η

Come detto in precedenza, gli attuatori lineari

di tipo pneumatico sono raramente impiegati a bordo; i loro vantaggi, rispetto ad attuatori idrauli-ci, sono l’assenza della necessità di una linea di ritorno e la scarsa importanza del problema di te-nuta; tuttavia, a causa dell’elevata comprimibilità dell’aria, presentano lo svantaggio di un più diffi-cile controllo di posizione dell’attuatore. Inoltre gli attuatori pneumatici a causa delle minori pressioni di esercizio utilizzabili sono più ingombranti e pesanti di quelli idraulici, anche se è necessaria una minore robustezza. Uno dei rari impieghi so-pravvissuti è nell’attuazione degli inversori di spinta, dove l’uso di un sistema oleodinamico è reso problematico dal fatto di dover lavorare in un ambiente a temperatire molto elevate con conseguenti effetti sull’olio. Si tratta comunque di attuatori a due posizioni, che quindi non necessitano di un vero controllo di posizione.

I vantaggi degli attuatori pneumatici sopra riportati li portano comunque ad una loro prefe-renza in molte applicazioni industriali.

In alcuni casi il velivolo è dotato di turbine azionate dall’aria compressa dell’impianto pneumatico da utilizzare in certe condizioni di emergenza per azionare pompe o generatori elettrici.

Fig. 6.4 – Simbolo di turbina

Fig. 6.5 – Turbina nel piano TS

p2 p1



- 6.7 -

6.6. Esempi di impianti pneumatici



- 6.8 -



- 6.9 -



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6.7 Bibliografia S.Chiesa, Impianti Di Bordo Per Aeromobili: Impianti Pneumatico, Condizionamento, An-

tighiaccio e A.P.U., CLUT, 1981. F.Vagnarelli, Impianti Aeronautici vol.I - Impianti di Bordo - Parte I, IBN Editore, 1991.

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