IMPIANTO CARBURANTE
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IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI IMPIANTO CARBURANTE Missione dell’impianto L’impianto carburante ha lo scopo di fornire il combustibile alle utenze in tutte le condizioni operative, di consentire una serie di funzionalità riguardanti il carburante stesso quali il rifornimento, il trasferimento ai propulsori, lo svuotamento dei serbatoi, ecc. e di garantire la protezione dalla contaminazione e la massima sicurezza di gestione. Le utenze sono normalmente propulsori ed il gruppo ausiliario generatore d’energia elettrica e pneumatica (APU). IMPIANTO CARBURANTE 2007 1 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Schema di serbatoio integrale del velivolo MD80 Le funzionalità dell’impianto carburante L’impianto carburante, per perseguire questo scopo, deve garantire al velivolo una serie di funzionalità quali: Interfacciarsi con le unità di servizio a terra quali autocisterne o dispenser alimentati da rete interrata. Distribuzione nei serbatoi del carburante secondo le sequenze richieste dal centraggio e dalle esigenze operative. Alimentazione del Motore e dell’APU in quantità e pressione adeguate in tutte le condizioni di manovra e d’assetto. Protezione del carburante dalla contaminazione. IMPIANTO CARBURANTE 2007 2 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Consentire, durante il volo, il trasferimento da un serbatoio all’altro del carburante, ai fini del bilanciamento del velivolo. Monitoraggio dei parametri fondamentali specifici del combustibile quali la quantità presente e consumata, flusso alle utenze, la corretta pressione d’alimentazione, ecc. Permettere la ventilazione dei serbatoi per evitare sovrappressioni durante il rifornimento e depressioni dovute al consumo durante il volo. Consentire lo scarico rapido in caso di avarie gravi che richiedano il rientro dal volo. Consentire in modo rapido/sicuro lo svuotamento dei serbatoi per motivi di manutenzione. Nella figura che segue è rappresentata la doppia possibilità di rifornimento a terra: per gravità o in pressione. IMPIANTO CARBURANTE 2007 3 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Denominazione dei combustibili aeronautici. I combustibili avio sono ottenuti dalla distillazione frazionata degli idrocarburi. La suddivisione principale è quella relativa alla tipologia di motori che li utilizzano: Motori alternativi: benzina Avio Turbomotori: kerosene Per quanto riguarda le Benzine, esistono vari tipi di carburante con diverso potere antidetonante, che sono riconoscibili dalla colorazione. Per quanto riguarda il Kerosene, ne esistono vari tipi, contraddistinti da codifica civile (Jet A-1, jet B) o militare (JP-1, ecc.). Caratteristiche del carburante, in generale sono la Volatilità, la densità, il punto di congelamento, il punto di accensione, ecc. Anche le impurità presenti rappresentano una voce importante, in particolare la presenza di zolfo, acqua, ecc. La normativa e l’impianto carburante L’impianto carburante deve rispondere sia in sede di progettazione sia di esercizio ad una serie di normative, delle quali ne richiamiamo solo alcune a titolo di esempio: Le norme di certificazione richiedono che ogni motore abbia un proprio impianto di alimentazione indipendente, e che l’avaria di un impianto non interferisca con gli altri. IMPIANTO CARBURANTE 2007 4 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI L’impianto carburante deve essere realizzato in modo che l’eventuale formazione di vapori non costituisca un rischio d’innesco in caso di fulmini. L’accesso ai serbatoi, per motivi di manutenzione, deve avvenire con il carburante rimosso, serbatoi ventilati ed il personale deve disporre di dispositivi di respirazione che garantiscano l’assenza di vapori. Le lavorazioni entro i serbatoi debbono avvenire con una serie di precauzioni per evitare scariche elettrostatiche Le operazioni di rifornimento non possono avvenire con passeggeri a bordo, altrimenti debbono essere presenti i VVFF con adeguate attrezzature per il pronto intervento Il carburante prima di essere immesso nei serbatoi deve essere controllato per eventuale inquinamento; lo stesso vale quando occorra prelevare del carburante da un velivolo che debba essere svuotato. Ecc. Principi generali di funzionamento Poiché l’impianto carburante velivolo deve assolvere ad una ampia serie di funzionalità, questi può assumere caratteristiche diverse da velivolo a velivolo; ai fini didattici si procederà nella descrizione di un Impianto Carburante Tipo che si avvale di numerosi componenti che, opportunamente assemblati, realizzano le funzionalità attese. IMPIANTO CARBURANTE 2007 5 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Il rifornimento avviene in genere in pressione, ma in alcuni casi è possibile il rifornimento a caduta mediante appositi tappi di rifornimento. ** Il carburante viene messo a disposizione dal sistema aeroportuale o attraverso autocisterne o mediante una rete di condotti posti sotto le piste ai quali si collega una speciale unità di rifornimento (Dispenser) che provvede al rifornimento del velivolo prelevando il combustibile dalla rete. Il collegamento dispenser-velivolo avviene attraverso uno o più panelli di servizio (Service Pannel), ove sono posizionati gli attacchi delle manichette ed i comandi valvole di rifornimento ed indicatori/selettori quantità dei serbatoi. Al pannello di rifornimento sono collegate una serie di tubazioni, più o meno complesse a seconda del tipo di velivolo che costituiscono il collettore di distribuzione ai vari serbatoi. IMPIANTO CARBURANTE 2007 6 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Il collettore raggiunge i vari serbatoi ed il collegamento avviene attraverso le valvole di rifornimento (Fill Valve) del serbatoio singolo azionate elettricamente o mediante servo pressione, e comandate dal pannello di servizio esterno o, su alcuni velivoli, dai comandi del pannello di rifornimento ripetuto in cabina piloti. Il carburante attraverso le valvole di rifornimento (Fill Valve) raggiunge i vari serbatoi. Mentre una serie di dispositivi di sicurezza provvede al blocco delle Fill Valve in caso di sovra-pressione o superamento del livello massimo. I serbatoi sono dotati di portelli di accesso per l’installazione e la sostituzione dei vari componenti e gli interventi sul sistema di mastici che garantisce la tenuta. I serbatoi dispongono, in genere, sulla superficie alare inferiore di apposite valvole di spurgo per eliminare la condensa che con il tempo si forma alla base del carburante e che deve essere periodicamente eliminata. L’alimentazione ai motori avviene mediante pompe di mandata che prelevano il carburante dal serbatoio e lo inviano al motore dedicato mediante condotti lungo i quali sono dislocate apposite valvole d’intercettazione (shuttoff valve). IMPIANTO CARBURANTE 2007 7 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI In genere ogni serbatoio dispone di due pompe elettriche di mandata (booster pump) per motivi di ridondanza. Le operazioni di rifornimento e quelle di alimentazione ai motori richiedono che la pressione della miscela aria vapori sovrastante il carburante si mantenga sempre uguale alla pressione esterna per evitare sollecitazioni alla struttura o formazione di vapori di carburante: questa funzionalità viene garantita dal sistema di ventilazione dei serbatoi. Le linee di mandata ai motori dispongono anche di interconnessioni e valvole per permettere l’alimentazione incrociata tra serbatoi e motori (Crossfeed Valve). Per evitare ristagno in zone lontane dalle pompe con tendenza alla stratificazione dell’acqua presente nel carburante nei velivoli viene realizzato, in generale, un sistema di circolazione continua che preleva il carburante in zone lontane mediante una rete di condotti di aspirazione a questo dedicati. L’aspirazione viene eseguita mediante pompe a getto che sfruttano l’energia di una piccola parte del carburante in pressione per azionare un dispositivo statico basato sull’effetto venturi. I condotti di mandata ai motori, quando attraversano le zone pressurizzate, sono schermati e dotati di drenaggi esterni. IMPIANTO CARBURANTE 2007 8 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI In caso di gravi emergenze (avaria motore, mancato rientro dei carrelli, mancata pressurizzazione ecc.) i velivoli potrebbero essere costretti ad interrompere il volo ed atterrare nel primo aeroporto disponibile. Se il peso del velivolo risultasse superiore al quello massimo di atterraggio sarebbe necessario eliminare il carburante in eccesso, e questo avviene mediante lo scarico rapido in atmosfera del carburante per ridurre il peso. L’intero sistema carburante dispone di sensori per il controllo della quantità di carburante in peso per ogni serbatoio, e (come impianto carburante motore) di flusso e totale consumato per il singolo motore. Per aeromobili con più motori la soluzione preferibile è quella che prevede che ogni motore venga alimentato da un serbatoio dedicato. A volte il motore dispone sia di un serbatoio primario che di uno secondario; in tale caso la sequenza di utilizzazione viene indicata dalle procedure del velivolo e tiene conto dei vincoli di centraggio e di carico sulle ali. Le funzionalità base, di cui si è trattato, possono essere ritrovate in tutti gli impianti carburante velivolo da trasporto civile. Circuito di rifornimento IMPIANTO CARBURANTE 2007 9 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Si può eseguire il rifornimento per gravità attraverso bocchettoni posti sul rivestimento superiore dell’ala, ma trattasi di una soluzione adottata solo per piccoli velivoli (aviazione generale ed ultraleggeri), mentre per quelli grandi dimensioni (vedi velivoli commerciali) tale soluzione è adottata solo in condizioni di emergenza. Nei velivoli più grandi si utilizza, in pratica, il rifornimento in pressione da uno o più pannelli di servizio ciascuno dei quali può essere collegato ad un’autocisterna o ad un semovente (Dispenser) alimentato dalla rete aeroportuale del carburante. ** La quantità da rifornire viene stabilita al momento della redazione del Piano di Volo come differenza tra quella calcolata per operare la tratta e quella residua dal volo precedente,indicata dagli indicatori dei singoli serbatoi. Attraverso le connessioni dei service pannel viene messo in pressione un collettore di rifornimento che si IMPIANTO CARBURANTE 2007 10 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI estende lungo tutta l’ala e tramite le valvole di rifornimento (Fill Valve) i vari serbatoi vengono collegati al collettore ed alimentati. In serie operano le valvole controllo livello, le valvole di sicurezza per sovra-pressione e le valvole di non ritorno. Quando si raggiunge il livello desiderato di carburante nel singolo serbatoio la Fill Valve si esclude o manualmente o pilotata dal sistema di pre-selezione. Le valvole di rifornimento ( Fill Valve) svolgono anche il compito di garantire l’isolamento del serbatoio, sono in genere servo-comandate, ma in emergenza si possono chiudere/aprireanche manualmente ( vedi figura che segue). * Schema collettore, fill indicazione/comando rifornimento serbatoi valve, Lo schema che precede presenta il pannello di preselezione, la indicazione della quantità residua, gli interruttori di comando delle Fill Valve, il collettore di IMPIANTO CARBURANTE 2007 11 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI distribuzione con le fill valve, i condotti di adduzione al singolo serbatoio e le valvole di troppo pieno. * * Schema installazione Fill valve Spaccato Fill Valve Le dimensioni dei velivoli, i volumi da rifornire ed i tempi di grounding portano a dotare gli aeromobili di più service pannel per consentire il rifornimento in parallelo. Il rifornimento viene comandato da Service Pannel dotati di selettori/indicatori di quantità, interruttori di comando fill valve, ed il comando di apertura può avvenire sia dalla cabina piloti sia dai service pannel. L’attuazione della fill valve può essere di tipo elettrico, ed in questo caso il servomotore è direttamente comandato a distanza; nel caso invece di attuazione idraulica la pressione stessa del carburante aziona la valvola mediante l’azione meccanica di membrana: un solenoide di controllo che sblocca una servopressione che agendo su un dei lati della membrana mette in IMPIANTO CARBURANTE 2007 12 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI movimento il meccanismo di apertura, e terminata la servopressione viene riportata in chiusura da un sistema di richiamo elastico. La quantità da rifornire può essere controllata in vari modi: Dall’operatore al panello controllo. Mediante preselezione in un circuito destinato al rifornimento. Speciali valvole di controllo livello massimo (in genere a galleggiante) sono destinate a protezione di guasti e/o errori di rifornimento. L’eventuale eccesso di carburante viene raccolto nei pozzetti del sistema di ventilazione e poi scaricato all’esterno del velivolo. Le normali operazioni di rifornimento avvengono con aereo collegato elettricamente a terra, senza passeggeri e con procedure di sicurezza a hoc. Si può eccezionalmente rifornire con passeggeri a bordo solo alla presenza di Vigili del Fuoco accanto all’aereo. Su alcuni velivoli una parte dei componenti viene istallata all’interno e questi risultano essere immersi nel carburante: per la loro sostituzione si accede attraverso appositi pannelli stagni dopo aver rimosso il carburante. In alcune soluzioni costruttive ( vedi caso MD80) il carburante non deve essere rimosso in quanto le pompe IMPIANTO CARBURANTE 2007 13 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI booster sono immerse nel carburante ed accessibili da portelli posti sul rivestimento superiore alare: in questo caso si usano attrezzi speciali che agganciano il componente e lo liberano dal suo attacco a baionetta. In altri casi i componenti vengono installati all’esterno dei serbatoi: in questo caso i serbatoi di alcuni velivoli dispongono di valvole di non ritorno a piattello per trattenere il carburante durante il cambio di valvole o guarnizioni dell’impianto senza svuotare i serbatoi. Tutte queste soluzioni tecniche sottendono sempre la ricerca di soluzioni che garantiscano sia la massima sicurezza sia il minimo tempo immobilizzo del velivolo, in considerazione degli aspetti economici correlati e dei livelli di servizio attesi. Nella figura che segue è riportato lo schema carburante di u n velivolo a tre motori ed APU, con i componenti fondamentali: Attacchi manichetta rifornimento, Fill Valve, crossfeed valve, shuttoff valve, booster pump, interruttori controllo troppo pieno, valvole x scarico rapido (Dump valve). IMPIANTO CARBURANTE 2007 14 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI ** Schema carburante di un velivolo a tre motori ed APU, doppio pannello di rifornimento, valvole di scarico rapido, doppie pompe booster, collettore e valvole cross feed, shut off carburante motore, valvole di troppo pieno, ecc. Circuito alimentazione motori La normale procedura di alimentazione prevede che il motore sia alimentato da un impianto dedicato costituito da una o più pompe elettriche in parallelo che tramite tubazioni inviano il carburante in pressione al motore. Nella linea di alimentazione motore è interposta una valvola isolamento (Shutt off Valve) usata in caso di grave avaria motore per garantire l’isolamento. L’uso della shutt-off per manutenzione è prevista durante lavori sull’impianto carburante motore per evitare lo svuotamento dei serbatoi: infatti molti interventi di manutenzione prevedono lo smontaggio di tubazioni o IMPIANTO CARBURANTE 2007 15 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI elementi dell’impianto carburante motore (da non confondere con quello velivolo) e che sorgono in caso di sostituzione di pompa carburante alta pressione motore, Fuel Control Unit, iniettori, collettore di alimentazione degli iniettori, valvole di drenaggio, eliminazione di perdite da raccordi. Queste operazioni devono avvenire con rapidità, spesso in hangar con serbatoi ancora pieni di carburante; in tal caso, per evitare la caduta del carburante durante lo smontaggio e non volendo svuotare i serbatoi per costo e tempo, si isola con la valvole shutt off il circuito del carburante motore tubazioni, ecc. Nei casi di alimentazione motore con serbatoio primario e secondario si ha una valvola selettrice e poi la shutt-off, ma esistono anche soluzioni di trasferimento di carburante dal secondario direttamente nel serbatoio primario. Le pompe di mandata (Booster Pump) sono pompe centrifughe azionate da motori elettrici. In genere operano immerse nel carburante in sedi adeguate all’aspirazione di tutti gli starti di carburante, sono alimentate mediante cavi elettrici protetti da speciali guaine, e devono essere anche facilmente accessibili per rapida sostituzione in caso d’avaria. In alcuni casi sono montate fuori dei serbatoi. La rimozione/sostituzione delle pompe avviene senza aspirare il carburante contenuto nei serbatoi sempre per rapidità e contenimento costi. Per questo motivo si adottano varie soluzioni costruttive a seconda del posizionamento della pompa stessa: IMPIANTO CARBURANTE 2007 16 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Quando le pompe sono esterne al serbatoio il carburante viene trattenuto da valvole a piattello. Quando le pompe sono immerse vengono montate/ rimosse con speciali attrezzi che accedono alle pompe una volta rimosso il portello superiore dell’ala. ** Schema impianto carburante velivolo MD80 IMPIANTO CARBURANTE 2007 17 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI ** Circuito di svuotamento Lo svuotamento dei serbatoi è dovuto ad esigenze di varia tipologia: Operazioni di manutenzione. Eccesso di carburante imbarcato. L’operazione di svuotamento può essere attivata collegando il velivolo ad un’autobotte esterna ed il trasferimento avviene mediante pompe del velivolo o per aspirazione. Circuito di ventilazione Tale circuito ha la finalità di mantenere la pressione esistente sulla superficie del carburante nei serbatoi sempre uguale a quella esterna. IMPIANTO CARBURANTE 2007 18 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI A questo fine ogni serbatoio dispone di un circuito di ventilazione che lo mette in collegamento con l’esterno tramite pozzetti di ventilazione posti al di sotto della semiala opposta, e che comunicano con l’esterno tramite prese in dinamica.Tale dinamica genera sulla superficie del carburante una pressione minima che è anche d’ausilio alle pompe durante il volo. Qualora durante il rifornimento si verificasse dei guasti il pozzetto prima si riempie, poi scarica verso l’esterno. * Inerting system * La tipologia di serbatoi carburante descritta in questa lezione risponde alle soluzioni costruttive adottate ampiamente negli attuali velivoli da trasporto commerciale, compreso il fatto che il sistema di ventilazione mette in comunicazione la superficie libera del carburante con aria dell’ambiente esterno. Teoricamente si potrebbe vedere in questa condizione di coesistenza di combustibile ed aria ricca di ossigeno una situazione di rischio per incendio o esplosioni. L’aspetto teorico è corretto e per questo motivo le procedure di progettazione, certificazione, manutenzione dei serbatoi e di quanto a loro collegato prevede tutta una IMPIANTO CARBURANTE 2007 19 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI serie di accortezze per evitare situazioni di rischio anche drammatiche. L’uso attuale di combustibile tipo Kerosene nei propulsori a getto ha ridotto i rischi dei serbatoi con Benzina Avio ( motori alternativi), ma la prudenza è ancora la regola. Nella nostra lezione non viene affrontato l’argomento che spesso si riferisce al tema “ Fuel inerting system” in quanto troppo specifico, ma si danno alcuni spunti di riflessione: Durante la seconda Guerra Mondiale alcuni velivoli da caccia URSS furono dotati di un sistema che immetteva nei serbatoi gas di scarico raffreddati dei motori alternativi in modo di avere l’ambiente saturo di azoto e anidride carbonica, pur rimanendo collegato all’esterno. Si trattava di un sistema semplice, ma molto efficace che permetteva di evitare l’esplosione del serbatoio di benzina a fronte di un proiettile incendiario, il cui danno strutturale era in genere trascurabile o gestibile. Sempre su velivoli militari, durante la Guerra del Viet Nam, anche velivoli USA con kerosene risultarono molto vulnerabili alla esplosione dei serbatoi e si iniziò a dotarli di sorgenti di anidride carbonica o azoto da immettere nei serbatoi durante il breve tempo del combattimento. Sono stati studiati sistemi sofisticati di separazione dell’ossigeno dell’aria dall’azoto basati su membrane e catalizzatori particolari, tema comunque che crea l’immediato impatto su costi, pesi, ecc che impattano IMPIANTO CARBURANTE 2007 20 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI differentemente su velivoli di tipo militare rispetto a quelli civili. Nel campo dei velivoli da trasporto civile si sono verificati rari, ma gravissimi incidenti sfociati nella esplosione del velivolo in volo per effetto della combinazione di serbatoi praticamente vuoti, ma con vapori di kerosene/aria e la sventura di corto circuiti che hanno innescato l’accensione della miscela e la distruzione del velivolo. Circuito alimentazione APU Questo impianto è simile a quello motori, ed ha - come specifica caratteristica - che deve funzionare con aeromobile non alimentato e quindi impiega una pompa in corrente continua, oppure in corrente alternata tramite un inverter statico, oppure con un inverter integrato in modo da potersi avviare con la batteria di bordo. Circuito ricircolo carburante ( Schavenge) Il carburante ad alta pressione è immesso all’interno di un tubo venturi e nella strozzatura crea una depressione tramite la quale si richiama il carburante del serbatoio da mettere in movimento. Questa tipologia di pompe trova applicazione per l’aspirazione di carburante localizzato in zone remote dei serbatoi, mediante una rete capillare di condotti d’aspirazione che lo portano nella zona d’aspirazione della pompa di mandata. IMPIANTO CARBURANTE 2007 21 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Alcune volte si usa come flusso primario parte della mandata della pompa principale; altre volte si usano i ritorni della pompa ad alta pressione del motore. ** Circuito scarico rapido I velivoli di grande autonomia possono trovarsi, in caso di gravi avarie dopo il decollo, con un peso che supera quello massimo all’atterraggio ed avere la necessità di eseguire un rientro dal volo presso il primo aeroporto utile. Per questa tipologia di eventi i velivoli vengono dotati di un Impianto di Scarico Rapido destinato a ridurne il peso. L’impianto deve rispondere ai seguenti requisiti: Eseguire l’operazione in tempi contenuti. IMPIANTO CARBURANTE 2007 22 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Non generare rischi di incendio. Non generare rischi di inquinamento in fusoliera. Deve essere protetto da errori di manovra riguardo la quantità di carburante scaricata. L’impianto tipo possiamo pensarlo costituito di: Interruttore di comando valvole di scarico rapido (Dump Valve). Collettore collegamento serbatoi. Valvole scarico rapido. Pompe di mandata. Interruttori di basso livello. Sistema luci d’avviso. Le pompe di mandata sono le stesse che alimentano i motori ed il collettore di rifornimento è usato in funzione cross-feed per lo scarico rapido. Speciali interruttori di livello minimo proteggono ogni serbatoio da errori per eccessivo svuotamento. Lo scarico rapido disperde nell’atmosfera il carburante in eccesso, ed è attuato solo in particolari condizioni di gravità e con procedure concordate con gli enti di controllo, oltre che su zone geografiche prestabilite. L’equipaggio valuterà le quantità da scaricare, dovrà richiedere al Controllo del Traffico l’autorizzazione ad eseguire l’operazione e la zona ove operare lo scarico. IMPIANTO CARBURANTE 2007 23 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Componenti principali dell’impianto carburante L’impianto carburante realizza le sue funzionalità attraverso la combinazione di una serie di componenti il cui ruolo non cambia molto nei diversi velivoli. Serbatoi. I serbatoi integrali sono realizzati normalmente nella struttura alare e la tenuta è garantita da un rivestimento interno di mastice. Alcuni velivoli utilizzano serbatoi rigidi rimovibili. Quando l’accessibilità è difficile la tenuta viene garantita tramite l’inserimento di guaine flessibili di gomma che realizzano nella struttura un serbatoio integrale. I serbatoi sono dotati di pannelli d’accesso per motivi di manutenzione sia sulla parte superiore del rivestimento alare che su quello inferiore. Sul rivestimento superiore sono ricavati quelli di accesso per normale manutenzione a tubazioni, valvole, pompe, capacimetri, cablaggi ecc, ed anche a zone della struttura. Sul rivestimento inferiore sono ricavati altri pannelli di accesso destinati a grandi interventi di manutenzione, e quindi viene richiesto lo svuotamento e ventilazione dei serbatoi IMPIANTO CARBURANTE 2007 24 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Sul rivestimento inferiore sono anche alloggiate le valvole di drenaggio ed i drip stick per la misura manuale del livello di rifornimento. Nel serbatoi sono installate le reti dei condotti di rifornimento, mandata e ventilazione, collegamenti alle prese di rifornimento, componenti vari, pompe, sensori di misura di quantità, ecc. ** Connessioni di rifornimento Queste connessioni sono standardizzate e sono in genere posizionate nella zona del bordo d’entrata, all’interno pannello di comando e controllo (Service Pannel); quando non sono utilizzate vengono protette da tappi di sicurezza e sono dotate di leve di selezione per rifornimento e svuotamento. IMPIANTO CARBURANTE 2007 25 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Il collegamento con il Dispenser o con l’autobotte avviene tramite una manichetta che si collega con innesto a tenuta al Service Pannel Valvole di rifornimento a pressione Queste valvole ( Fill Valve) consentono l’ingresso del carburante in pressione nel serbatoio, e sono in genere con chiusura a ghigliottina o a fungo. La prima è comandata da un motore elettrico ed è gestita dall’interruttore d’apertura, per poi chiudersi alla quantità selezionata o per un segnale di troppo pieno. La seconda (Poppet Valve) si apre per effetto della pressione idraulica del carburante stesso che agisce su una membrana attuatrice del servocomando: tale servopressione è inviata o bypassata da un solenoide e realizza il comando. Pompa di alimentazione Queste pompe (Booster Pump) sono alimentate a corrente alternata e in genere sono immerse nel carburante, ma esistono anche soluzioni con pompe esterne al serbatoio; si compongono di girante, motore elettrico e filtro di protezione oltre che di sistema di bypass. IMPIANTO CARBURANTE 2007 26 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Le Booster Pump forniscono la pressione per alimentare sia i motori che l’APU, per il trasferimento o lo scarico rapido, ed essendo ad elica risultano trasparenti, e quindi il carburante può fluire in caso di avaria elettrica se il propulsore è in grado di aspirare il carburante. La tecnica di installazione è sempre tale da permetterne in tempi rapidi la sostituzione durante la breve sosta operativa tra due voli. * Ejector Pump ** Questo tipo di pompa funziona secondo il principio del tubo Venturi e quindi non ha parti in movimento. La sua funzionalità si basa sull’uso di un flusso di carburante a pressione prelevato sulla linea di mandata delle booster pump e che fornisce l’energia per l’aspirazione del carburante. IMPIANTO CARBURANTE 2007 27 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI ** Valvole Shutt Off Queste valvole sono installate sulla linea che collega di mandata dai i serbatoi ai motori, ed operano solo in due posizioni: tutto aperto o tutto chiuso; vengono comandate quando si aziona la leva antincendio e sono attuate , in genere, da un motore elettrico. Valvole di drenaggio IMPIANTO CARBURANTE 2007 28 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Tali valvole hanno la funzione di permettere a terra di drenare l’acqua che si deposita nei punti più bassi dell’impianto e sono installate in appositi pozzetti ed in alcuni punti del collettore generale e nei condotti di sfiato. Le procedure di rifornimento prevedono che il personale tecnico le azioni periodicamente prima delle operazioni di rifornimento tramite un apposito attrezzo che vincendo il contrasto della molla di tenuta permette il drenaggio dell’acqua stratificata sotto il carburante. Tale operazione è necessaria in quanto l’acqua è sempre presente in piccole % nel carburante, ma con il tempo potrebbe accumularsi ed arrecare danno ai circuiti carburante del motore. Le procedure di rifornimento prevedono che prima dell’inizio delle operazioni un campione venga prelevato e controllato con uno speciale reagente. * * Valvole di non ritorno Le valvole di non ritorno sono in genere a piattello e dotate di un dispositivo di sicurezza termica per evitare sovra-pressioni. IMPIANTO CARBURANTE 2007 29 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Sistemi di misura Le misure relative all’impianto carburante sono finalizzate ad indicare la quantità in peso rifornita, disponibile e/o utilizzata, alla quale è associata l’energia potenziale chimica che un combustibile fornisce. I parametri controllati sono numerosi: quantità per serbatoio, quantità totale, temperatura carburante, pressione carburante, portata carburante al singolo motore. Come priorità ci dedichiamo , in particolare,alla misura della quantità in peso. Il sistema di misura è dedicato al controllo del peso e quindi dovrebbe misurare il volume e la densità, che a sua volta dipende dalla temperatura del carburante stesso. Sistema di misura: misure volumetriche. Le misure volumetriche possono essere automatiche. manuali o Una tipologia misura manuale semplice è quella che utilizza una stecca ad immersione (dip-stick): il serbatoio sarà dotato di un apposito accesso e l’asta graduata permette la lettura nel punto ove il liquido bagna : questa soluzione è usata in impianti di piccoli velivoli. Apposite IMPIANTO CARBURANTE 2007 30 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI tabelle permettono la conversione in peso in base alla temperatura. Si tratta di un sistema poco pratico e non utilizzabile in serbatoi grandi ed articolati che richiederebbero più letture. Nei serbatoi di velivoli più grandi si usa un sistema detto drip-stick : tale dispositivo di misura è installato nella parte inferiore del rivestimento del serbatoio ed è realizzato mediante un complesso costituito da un tubicino ed una flangia porta-tenuta che si innesta in una apposita sede sul fondo del serbatoio. Tale complesso può scorrere verticalmente entro un canotto forato solidale alla base del serbatoio stesso fino a sfiorare la superficie del carburante. A questo punto il liquido entra nel tubicino scorrevole ed esce dalla parte inferiore dello stesso indicando che il bordo superiore sfiora il pelo libero del carburante. Il tubicino porta una serie di tacche che esprimono direttamente il livello. Il tutto può essere s/bloccato con apposito attrezzo nella sede installata sulla superficie inferiore del rivestimento del serbatoio per garantire la tenuta. La lettura volumetrica viene quindi effettuata sbloccando dalla sede la base a tenuta del tubicino mobile e cercando il punto in cui si sfiora la superficie di contatto carburante/aria; il problema della tenuta e di dover raccogliere il carburante che sfiora ha reso questo dispositivo laborioso in operativo ed è stato risolto realizzando un tipo di misuratore simile, ma privo della necessità di generare la fuoriuscita di carburante. IMPIANTO CARBURANTE 2007 31 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI La soluzione consiste nell’installare sul fondo del serbatoio un canotto tubolare stagno e chiuso superiormente, intorno al quale può scorrere un galleggiante contenente un collare magnetico. All’interno del canotto stagno e solidale al rivestimento del serbatoio può scorrere un’asta di misura dotata superiormente di un suo magnete. Tale magnete ,quando transita al livello del galleggiante, si arresta trattenendo l’asta di misura graduata: a questo punto si esegue la misura. ** Misure di peso temperatura. IMPIANTO CARBURANTE 2007 ** : densità ed influenza della 32 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI I sistemi di misura volumetrica e la conoscenza della densità sono la via per valutare la quantità in peso di carburante presente, informazione necessaria in quanto consente di determinare l’energia potenziale chimica disponibile. La densità del carburante dipende molto dalla temperatura, che a sua volta varia tra carburante residuale e carburante rifornito dall’esterno. Ad esempio tra il carburante residuo (anche -50° C) e quello da rifornire a terra (anche +50°C) ci possono essere delle indeterminazioni sulla misura del peso. Le misure di volume a terra hanno effettiva applicazione al momento del rifornimento e sono normale procedura unitamente al controllo della densità. Le misure di volume in volo mediante sistemi a galleggiante sono state quasi abbandonate anche per la ridotta sensibilità, la presenza di schiuma sulla superficie ed a volte la formazione di ghiaccio nei trasduttori. Misure automatiche di volume Questi metodi prevedono che un sistema di galleggianti, adeguatamente disposti nei vari serbatoi, che trasmetta il proprio movimento tramite trasduttori capaci di generare un segnale elettrico proporzionale al loro spostamento e quindi al livello. Lo strumento ricevente sarà in grado di indicare, grazie alla sua taratura, il valore del volume occupato dal carburante. Questo sistema ha molti limiti tra cui: la scala degli strumenti non è lineare in quanto risente della forma IMPIANTO CARBURANTE 2007 33 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI del serbatoio, la formazione di schiuma dovuta alle oscillazioni del carburante altera il segnale, eventuale presenza di acqua potrebbe formare particelle di ghiaccio e rendere poco preciso il segnale trasmesso. In ogni caso il peso del carburante dipende dalla densità, che è molto sensibile alla temperatura: infatti, l’escursione termica dei carburanti può andare da –50c° a +50c°, con delle variazioni anche del 10% della densità, e per tutti questi motivi si ricorre ormai a sistemi di misura automatici del peso, e sempre attraverso sistemi che elaborano segnali elettrici. Misure elettriche di peso La misura del peso presuppone che si misuri o si conosca il volume di carburante e la sua densità, alla temperatura reale posseduta. Le misure di peso avvengono mediante il rilevamento separato di due parametri: il volume del carburante e la densità del carburante ed il sensore utilizzato per la misura del volume di carburante nei serbatoi è il capacimetro. Il capacimetro è un condensatore tubolare formato da due tubazioni metalliche coassiali che formano le armature, e che ha come dielettrico o solo aria (serbatoio vuoto), o solo carburante (serbatoio tutto pieno) o un mix dei due in funzione del livello di carburante. IMPIANTO CARBURANTE 2007 34 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Il principio su cui si basa per misurare il livello /volume è quello di correlare la misura del volume del carburante a quella della capacità del condensatore. La capacità di un condensatore dipende dalla superficie delle armature e dalle caratteristiche del dielettrico che le divide; inoltre la costante dielettrica dell’aria è sensibilmente diversa da quella del carburante le condizioni intermedie daranno un valore di costante dielettrica facilmente misurabile e riconducibile alla proporzione aria/carburante, quindi al livello ed al volume di carburante tramite una misura di capacità. I serbatoi hanno in genere forme irregolari ed è quindi necessaria una misura in più punti. Mettendo più capacimetri in parallelo si può effettuare una misura media che permetta di tenere conto della forma del serbatoio e di correggere gli errori dovuti all’assetto del velivolo. La misura della capacità è quindi indirettamente la misura del livello del carburante e tramite una taratura che tenga conto della forma dei serbatoi fornirà la misura del volume di carburante. A questo punto per completare la misura del peso sarà necessario conoscere la densità del carburante. In generale le costanti fisiche ed elettriche dei carburanti vengono influenzate dalla temperatura quasi nella stessa misura: al variare della temperatura il volume di carburante aumenta e la densità diminuisce. IMPIANTO CARBURANTE 2007 35 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Si è notato che sia la densità che la costante dielettrica diminuiscono all’aumentare della temperatura, anche se le leggi non sono esattamente lineari. La tecnica usata è quella di mettere in relazione la legge di riduzione della densità del carburante con l’aumentare della temperatura e con la sua omologa riduzione della costante dielettrica. Per questo motivo il circuito di misura dispone di un particolare condensatore sempre immerso nel carburante, detto compensatore, che viene preso a riferimento in quanto la sua capacità dipende solo dal valore del dielettrico. Una volta misurata la capacità del compensatore si ottiene il valore della costante dielettrica, in quanto tutta la superficie delle armature è immersa e quindi nota. In questo modo si esegue una misura indiretta che permette di correlare la densità del carburante alla costante dielettrica. In conclusione si ottiene dai capacimetri il volume di carburante presente e dal compensatore il valore della densità alla temperatura reale, il tutto tramite una misura indiretta di costante dielettrica. Anche l’inclinazione e la forma dei serbatoi influiscono sulla misura del volume e questo viene gestito disponendo vari capacimetri in parallelo in diverse posizioni. IMPIANTO CARBURANTE 2007 36 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI ** ** * Strumentazione di controllo La strumentazione per l’impianto carburante consiste in: Indicatore di peso per serbatoio. Indicatore di peso somma dei serbatoi. Indicatore di pressione nelle tubazioni. Indicatori di portata (kg/ora) per il circuito dei motori. La strumentazione oltre che in cabina piloti è posizionata anche nelle zone ove si effettua il rifornimento a terra, ove la manichetta di rifornimento viene collegata al collettore di rifornimento, … IMPIANTO CARBURANTE 2007 37 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI Le procedure di rifornimento velivolo Le operazioni di rifornimento dei velivoli sono riconducibili, in generale, ad una serie di sequenze logiche che non cambiano molto con il tipo di velivolo e che quindi utilizzano le soluzioni impiantistiche a volte diverse, ma finalizzate alle stesse operazioni: Il piano di volo del velivolo è pianificato in base alla destinazione prevista, alle condizioni di carico, alle condizioni meteo lungo la rotta, quelle previste nella zona di arrivo ed alla dislocazione degli aeroporti alternati. Le caratteristiche costruttive del velivolo completano il quadro e questo permette di pianificare la quantità di carburante totale da imbarcare prima della partenza. La quantità di carburante residua nei vari serbatoi è stata registrata all’arrivo dall’equipaggio precedente ed in termini formali rappresenta il punto di conclusione del volo precedente, e del punto di partenza del volo successivo. La distribuzione del carburante totale nei vari serbatoi viene fatta in base alle caratteristiche costruttive del velivolo e delle sue esigenze di centraggio. Il successivo prelievo dai vari serbatoi sarà eseguito in volo in base ad una sequenza prestabilita per motivi di centraggio e strutturali. Prima del rifornimento viene verificata la qualità del carburante presente nella botte di rifornimento, soprattutto riguardo alla presenza nei limiti di % di acqua, e viene verificata la temperatura del IMPIANTO CARBURANTE 2007 38 IMPIANTI DI BORDO GIORGIO GIORGI carburante rifornito. Anche gli spurghi di acqua dai serbatoi aiutano ad eliminare acqua decantata durante la sosta e presente sul fondo dei serbatoi. Il rifornimento deve avvenire con velivolo senza i passeggeri a bordo, con motori spenti e senza che apparati radar siano in emissione. Il velivolo e l’autobotte debbono essere collegati a massa. La manichetta di rifornimento viene collegata alla apposita presa del pannello di servizio, vengono selezionate le quantità massime di carburante per ogni serbatoio e si avvia il rifornimento mediante la apertura delle Feel Valve. In genere la quantità viene preselezionata e poi il sistema deve solo essere controllato. Al termine del rifornimento il singolo serbatoio è controllato, almeno in termini di volume immesso, tramite i Magna Stick o dispositivi equivalenti Le quantità totale immessa come valore fornito dalla botte e la temperatura del carburante, i valori dei singoli finali dei serbatoi, le indicazioni dei controlli volumetrici vengono riportate sul Quaderno Tecnico di Bordo, poi firmate dai tecnici e poi verificate dall’equipaggio. IMPIANTO CARBURANTE 2007 39
