Tesi di laurea triennale di DANIELE MANTELLI. 23/03/2011 Relatore: Luca Piancastelli

Transcript

1 Tesi di laurea triennale di DANIELE MANTELLI 23/03/2011 Relatore: Luca Piancastelli

2 INTRODUZIONE Il seguente elaborato ha lo scopo di descrivere una procedura di certificazione di un turbocompressore GARRETT GT2260. Tale procedura, ed i relativi test, fanno parte di un insieme di prove le quali hanno permesso di ottenere il Type Certificate di un motore diesel aeronautico TDA CR 1.9 8V. 2

3 INTRODUZIONE (METODO) 1) Scelta dei componenti da utilizzare nello svolgimento dei test; 2) Calcolo degli indebolimenti e successive lavorazioni delle giranti; 3) Redazione della procedura; 4) Configurazione della sala prova; 5) Prove preliminari; 6) Test ufficiale; 7) Ispezione dell involucro di verifica e delle giranti; 8) Redazione del Test Report relativo alla prova; 3

4 SCELTA DEI COMPONENTI DA UTILIZZARE NEI TEST (MOTORE) I motori utilizzati non sono oggetto dei test, ma considerando che il Type Certificate da ottenere riguarda il motore 8 V, verranno utilizzati come motori di servizio due propulsori: TDA CR 1.9 8V Le mappature della centralina del motore di servizio principale vengono realizzate ad hoc per le relative prove di Burst and Containment, mentre quelle del propulsore di supporto vengono mantenute in configurazione standard. 4

5 SCELTA DEI COMPONENTI DA UTILIZZARE NEI TEST (TURBOCOMPRESSORE) I turbocompressori (TC) da utilizzare per la prova di si dividono in: TC non sottoposti ai test; TC sottoposti ai test (DUT). Nel primo caso ci si riferisce a quelli installati sui motori di servizio e non riportano modifiche rispetto alla configurazione standard. Nel secondo caso (DUT - Device Under Test), vengono lavorati con processi di elettroerosione per creare gli indebolimenti, come da procedura, necessari alla rottura del componente. 5

6 CALCOLO INDEBOLIMENTI GIRANTI e SUCCESSIVE LAVORAZIONI (COMPRESSORE) Per il calcolo degli indebolimenti, effettuati dall ufficio tecnico, sulla girante del compressore, non si è tenuto conto dell influenza della temperatura sullo stress del materiale in quanto, le temperature che interessano il disco del compressore non sono tali da modificare il comportamento del materiale stesso in funzione del numero di giri. Gli indebolimenti vengono effettuati per mezzo di elettroerosione del materiale. Alla velocità nominale del dispositivo ( giri/min) viene aggiunto un fattore correttivo suggerito da ENAC pari al 5% di tale velocità; per cui la V TEST risulta: 6

7 CALCOLO INDEBOLIMENTI GIRANTI e SUCCESSIVE LAVORAZIONI (TURBINA) I calcoli al FEM sono stati eseguiti dall ufficio tecnico partendo da un modello matematico ricavato con il metodo del Reverse Engineering da una girante di produzione; dopo di che, facendo riferimento alla teoria dei corpi rigidi in rotazione, è stato possibile determinare gli indebolimenti da apportare alla girane, tenendo conto delle condizioni termiche. 7

8 CALCOLO INDEBOLIMENTI GIRANTI e SUCCESSIVE LAVORAZIONI (TURBINA) Per la valutazione dell influenza della temperatura sulla velocità di rottura della turbina i passaggi sono i seguenti: Calcolo T_housing_average; Calcolo fattore di correzione, Determinazione velocità di test (V TEST ). 8

9 CALCOLO INDEBOLIMENTI GIRANTI e SUCCESSIVE LAVORAZIONI (TURBINA) Il dato T_housing_average viene acquisito rilevando le temperature in quattro punti dell housing della turbina e se ne fa la media matematica; In base allo stress massimo alla temperatura ideale (785 C 600 C), determinata dalla procedura, e quello relativo alla T_housing_average rilevata (500 C 364 C) si determina un fattore di correzione pari al 5% della velocità nominale; Quindi la V TEST della girante della turbina varrà: 9

10 REDAZINE DELLA PROCEDURA La procedura ha le seguenti caratteristiche: Non è modificabile; Definisce in modo univoco i test; Riporta con precisione tutti i passaggi e gli accorgimenti costituenti i test e le operazioni preliminari; Viene accettata dall ENAC; Fa fede per la validazione della prova. 10

11 CONFIGURAZIONE DELLA SALA PROVA 11

12 CONFIGURAZIONE DELLA SALA PROVA Le differenze tra l installazione per il test sul compressore e quello sulla turbina sono: TEST COMPRESSORE 1. DUT installato sul motore di servizio principale; 2. Alimentazione olio direttamente dal motore di servizio principale; 3. Girante compressore indebolita; 4. Girante turbina standard; TEST TURBINA 1. DUT installato su un banco prova posto nelle vicinanze del motore di servizio principale; 2. Alimentazione olio derivata dal motore di servizio principale; 3. Girante compressore sostituita da una boccola; 4. Girante turbina indebolita; 12

13 PROVE PRELIMINARI Con il termine prove preliminari s intende l insieme di esperimenti o test fatti per il raggiungimento della prova: Prove di funzionamento del TC con una boccola al posto della girante del compressore; Prove di raggiungimento delle velocità di test richieste dalla procedura; Verifica delle temperature presenti sull housing della turbina per la determinazione della velocità di rottura Verifica dell installazione dell involucro di verifica; Prova di sopportazione, da parte dell impianto di raffreddamento di cella, dell accensione contemporanea di due motori. 13

14 TEST UFFICIALE (COMPRESSORE) 1) Acquisizione dati sensibili: PLA, RPM, T_exhaust, giri turbo; 2) Freno in modo: N = k; 3) Riscaldamento motori (giri turbo < giri/min); 4) MOTORE PRINCIPALE 3800 RPM, 20% PLA; 5) MOTORE SECONDARIO 3500 RPM, 70% PLA; 6) giri/min giri turbo giri/min per 2 minuti; 7) Raggiungere la V TEST = giri/min, tramite l acceleratore del motore principale e mantenere per 1 minuto; 8) Accelerare fino a 110% V TEST ; 9) Scoppio girante 100% V TEST 110%; 10) Documentare per mezzo di foto l housing e la girante; 11) Ispezione visiva del DUT; 12) Archiviazione dati secondo norme ENAC; 13) Stesura Test Report. 14

15 TEST UFFICIALE (TURBINA) 1) Acquisizione dati sensibili: PLA, RPM, T_exhaust, giri turbo; 2) Freno in modo: N = k; 3) Apertura con comando manuale della valvola Waste Gate; 4) Riscaldamento motori (giri turbo < giri/min); 5) Entrambe i motori 3500 RPM, 70% PLA; 6) giri/min giri turbo giri/min per 2 minuti; 7) Raggiungere la V TEST = giri/min, tramite l acceleratore di entrambe i motori e mantenere per 1 minuto; 8) Accelerare fino a 110% V TEST ; 9) Scoppio girante 100% V TEST 110%; 10) Documentare per mezzo di foto l housing e la girante; 11) Ispezione visiva del DUT; 12) Archiviazione dati secondo norme ENAC; 13) Stesura Test Report. 15

16 ISPEZIONE DELL INVOLUCRO DI VERIFICA E DELLE GIRANTI Una volta terminate le prove di rottura e contenimento delle giranti vengono ispezionate, come descritto dalla procedura, sia l involucro di verifica, che le giranti. L involucro non deve presentare nessun graffio o scalfittura provocata dalla eventuale fuoriuscita di frammenti dalle chiocciole. Le giranti dovranno essere rotte sostanzialmente in tre pezzi, in corrispondenza degli intagli realizzati appositamente. 16

17 REDAZIONE DEL TEST REPORT RELATIVO ALLA PROVA Il Test Report è un documento ufficiale approvato da ENAC contenente le informazioni relative allo svolgimento della prova effettuata, descrivendo, in particolare, i risultati ottenuti. Esso è correlato di fotografie e grafici che documentano gli esiti dei test, in modo tale da poter fornire, all ente, una prova tangibile delle prove svolte. 17

18 REDAZIONE DEL TEST REPORT RELATIVO ALLA PROVA (COMPRESSORE) Premettendo che la velocità alla quale si è rotta la girante del compressore risulta la seguente: L housing non presenta nessuna rottura ne crepa che possa far ipotizzare una fuoriuscita di frammenti. Questo significa che la chiocciola del compressore dimostra di avere una resistenza meccanica idonea al contenimento dei frammenti provocati dallo scoppio della girante nel rispetto della procedura. 18

19 REDAZIONE DEL TEST REPORT RELATIVO ALLA PROVA (TURBINA) Premettendo che la velocità alla quale si è rotta la girante del turbina risulta la seguente: L housing non presenta nessuna rottura ne crepa che possa far ipotizzare una fuoriuscita di frammenti. Questo significa che la chiocciola della turbina dimostra di avere una resistenza meccanica idonea al contenimento dei frammenti provocati dallo scoppio della girante nel rispetto della procedura. 19

20 CONCLUSIONI 1) ESITO POSITIVO DELLE PROVE SVOLTE; 2) ADATTAMENTO DELLA PROCEDURA ALLA FAMIGLIA DI MOTORI TDA CR (ES.: TDA CR V) 3) VALIDAZIONE DELLE PROVE BY TEST E BY ANALISYS PER UN FUTURO IMPIEGO DELLA PROCEDURA; 4) OTTENIMENTO DEL TYPE CERTIFICATE. 20