Studio di massima di un turbocompressore per uso aeronautico con riferimento ad un compressore esistente

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1 Alma Mater Studiorum - Università degli Studi di Bologna Facoltà di Ingegneria Studio di massima di un turbocompressore per uso aeronautico con riferimento ad un compressore esistente Tesi di Laurea in Disegno Tecnico Industriale Candidato Christian De Marco Relatore Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori Prof. Ing. Gianni Caligiana Dott. Ing. Enrico Troiani

2 Finalità della tesi 1. Analisi e sviluppo di un compressore centrifugo esistente per un sistema di sovralimentazione a. Verifica della progettazione b. Correzione dei risultati c. Studio di ipotesi migliorative 2. Ridimensionamento del compressore del motore a turbina Allison a. Acquisizione dati da lavori precedenti b. Elaborazione di soluzioni alternative

3 Il motore Lo studio del compressore si inserisce in un più ampio piano di sviluppo di un motore esistente, nato per la trazione terrestre, con l obiettivo l di adattarlo ad applicazioni aeronautiche. Il propulsore adottato è un motore FIAT 1.9 jtd. Motivi della scelta: 1. tecnologia avanzata 2. affidabilità 3. basso costo Caratteristiche tecniche: numero di cilindri: 4 in linea cilindrata: 1910 cm 3 potenza massima: 105 cv velocità di rotazione massima: 4000 rpm rapporto di compressione a terra: β = 3 portata d aria d = 500 kg/h alimentazione ad iniezione diretta

4 Il compressore centrifugo Il compressore preso in esame è stato progettato e sviluppato dall ing. Luca Lanzarini presso l Universitl Università di Bologna. Il prototipo, realizzato dall ing. Matteo Muccioli,, non è mai stato sottoposto a prove sperimentali. Descrizione del compressore: numero di pale = 18 rendimento teorico della girante = 0,74 rendimento teorico del compressore = 0,59 diametro esterno della girante = 70 mm altezza del passaggio in uscita dalla girante = 2 mm spessore delle pale = 0,5 mm diametro esterno all aspirazione aspirazione = 41 mm diametro interno all aspirazione aspirazione = 17 mm velocità di rotazione = rpm

5 Diagramma di flusso della progettazione del compressore centrifugo Acquisizione dati del motore e definizione specifiche di progetto Studio fluidodinamico della girante Verifica di resistenza Dimensionamento della girante Disegno Progettazione del diffusore Disegno Complessivo del compressore modificato Conformazione della voluta Disegno

6 Studio fluidodinamico della girante Flusso monodimensionale: determinazione dei triangoli di velocità Coefficienti sperimentali correttivi per: disuniformità del flusso deviazione del flusso Miglioramenti proposti Slip factor: Formula di Wiesner: µ = 1 senβ Z 2 ID 0,7 Formula di Stodola: π senβ 2id µ = 1 Z 1 Φ cotgβ 2 2id Procedimento iterativo per il calcolo dei triangoli di velocità. Numero di pale: Prototipo Z = 18 Nuovo Z = 30 Diminuzione della deviazione

7 Dimensionamento della girante Trasformazione termodinamica del fluido all aspirazione Fluido aspirato fino a velocità c 1 : p 1 = p 0 A 1 k ϕ 2 c1 krt 0 A k k 1 T 1 T 2 k 1 c1 1 2 krt 0 = A 0 A Ostruzione palare nella sezione di ingresso della girante Nel compressore preso in esame non è stato calcolato il coefficiente di ostruzione palare in ingresso: la portata d aria d aspirata è minore di quella di progetto. Nuova sezione di ingresso > Sezione di ingresso del prototipo

8 Disegno della girante Diametro esterno Altezza di passaggio in uscita Numero di pale Velocità di rotazione Girante del prototipo Nuova girante

9 Resistenza meccanica Materiale del prototipo: alluminio Nuovo materiale: titanio Ti-6Al 6Al-4V Elevata σ s Elevata T di fusione Modifica del disco Simulazione con Ansys 10.0: Tensione equivalente massima = 720 MPa Tensione di snervamento del titanio = 830 MPa

10 Il diffusore Compressore originario: diffusore liscio Miglioramento proposto: diffusore palettato dimensioni contenute rendimento più elevato Primo tratto liscio (vaneless space) Necessario per rallentare il fluido fino a Ma < 1 Secondo tratto palettato Pale rettilinee di spessore costante Coefficienti sperimentali Attrito di parete Equazione di Nikuradse per moto turbolento: λ = 4c f = 0, ,221 Re 0, 237 ( ) Viscosità dell aria Equazione di Sutherland: ( 0, , ) ( 0,555 1,8 T + 120) 1,8 T µ = 1, ,07 3 2

11 La voluta Voluta del compressore preso in esame sezione rettangolare attrito di parete calcolato con la formula sperimentale: 1 c f ε = 1,14 2log 10 D Modifiche proposte sezione circolare attrito di parete calcolato con la formula di Nikuradse Risultati ottenuti: Diametro interno = 134 mm Altezza di passaggio = 3,3 mm Raggio esterno iniziale = 70,3 mm Raggio esterno finale = 123,7 mm Raggio sezione iniziale = 1,89 mm Raggio sezione finale = 28,35 mm

12 Complessivo del nuovo compressore

13 Complessivo del nuovo compressore

14 Complessivo del nuovo compressore

15 Complessivo del nuovo compressore

16 Complessivo del nuovo compressore

17 Complessivo del nuovo compressore

18 Il compressore dell Allison 250 c-18 Struttura del compressore Sei stadi assiali Uno stadio finale centrifugo Caratteristiche tecniche Portata d aria d aspirata = 5022 kg/h Rapporto di compressione = 6,2 Modifica: Portata d aria d aspirata = 500 kg/h Lavori precedenti Ing. Gherardo Gualandi: misurazioni ridimensionamento Ing. Luca Vicino: disegno del compressore originale

19 Similitudine nelle turbomacchine Permette di ampliare le applicazioni possibili di una macchina giàg funzionante in determinate condizioni operative. Parametri fondamentali: Grado di reazione cinematico R = L reaz / L Coefficiente di lavoro Ψ = L / u 2 Coefficiente di portata Φ = c 1 / u Il ridimensionamento effettuato in precedenza non rispetta la similitudine: è necessario mantenere le stesse proporzioni dell originale originale. Ridimensionamento in scala Soluzioni proposte: Ridimensionamento con spessore delle pale invariato

20 Equazione di continuità: Ridimensionamento in scala m& ξ A = ξ ' m& ' id A id Il nuovo compressore mantiene la stessa geometria dell originale con dimensioni ridotte. r' Nuova velocità di rotazione: n = n' r ' Problematiche: frequenza propria delle pale fattibilità costruttiva Ridimensionamento con spessore delle pale invariato Si sfruttano i risultati ottenuti nel dimensionamento in scala. In questo caso: spessore delle pale uguale all originale coefficiente di ostruzione palare modificato Problematiche: geometria modificata dimensioni meno contenute

21 Conclusioni Compressore centrifugo I miglioramenti ottenuti sono interessanti, in particolare per quanto riguarda la resistenza della girante e il diffusore. Il progetto non può prescindere da verifiche di tipo sperimentale, è necessario quindi costruire il prototipo ed effettuare prove in laboratorio. Sviluppi futuri: conformazione più accurata della girante con software CFD. Compressore dell Allison 250 c-18c Il dimensionamento è stato completamente rielaborato. Il prodotto finale ha ottime prospettive, in quanto a buone prestazioni unisce l affidabilità di una turbomacchina commerciale. Sviluppi futuri: verifica di resistenza e della frequenza propria delle pale.