ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITA' DI BOLOGNA

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1 ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITA' DI BOLOGNA SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA CON SEDE A CESENA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA AEROSPAZIALE Classe 10 Sede di Forlì ELABORATO FINALE DI LAUREA In Disegno assistito dal calcolatore STUDIO DI FATTIBILITA DEL MONTAGGIO DI UN MOTORE 1600 c.c. AERONAUTICO SUL CASTELLO MOTORE DI UN CESSNA C-172 Candidato Tommaso Girelli Relatore Prof. Ing. Luca Piancastelli Anno Accademico 2006/2007 1

2 OBIETTIVI dimostrare che l installazione del motore è possibile installazione il più possibile di tipo plug and play contenimento dei costi contenimento, quanto più possibile, dei pesi installati a bordo. FASI DI STUDIO disegno dell ambiente in cui il motore sarà installato scelta e progettazione di un sistema di montaggio installazione degli scambiatori di calore installazione delle tubazioni del circuito dell aria, impianto di lubrificazione, impianto di raffreddamento ad acqua e circuito di ricircolo del gasolio centraggio del gruppo motore 2

3 IL PROPULSORE Tecnical Data Displ. 2,000 cc Diesel Common Rail Net Output Power 260 HP continuous (300 HP max) Output shaft rpm 2,800 (Aircraft version) 250 (Naval Version) Weight All Inclusive 124 kg(*) (Aircraft version) 140 kg (Naval Version) Dimensions LxWxH (mm) 380x600x600 MTBO 2,000 h (Aircraft version) 3,000 h (Naval Version) (*)with Titanium alloy rods, bolts, rail, turbocharger body and radiators for Cessna 337 engine replacement Development status Design 70%% I Prototype 0% Design to be completed Dec Works with diesel fuel, jet A1, jp4 and jp8 Also available for helicopter 350 HP max, 3,200 rpm, 125 kg, TBO 900h Luca Piancastelli Research Group Università degli Studi di Bologna, Italy DIEM, II Facoltà di Ingegneria Tel luca.piancastelli@unibo.it 6 3

4 STUDIO PRELIMINARE DI PESI, POTENZE ED INGOMBRI Caratteristiche del propulsore: Potenza netta erogata: 260 HP 2800 rpm Peso complessivo: 124 kg Dimensioni: 300 x 600 x 600 mm Alcuni parametri dell aeromobile: Potenza massima installabile: 210 HP Peso massimo installabile sul castello motore: 145 kg => margine di 21 kg Effettuata con successo una prova di ingombro => Il motore dispone delle caratteristiche necessarie per un tentativo di installazione 4

5 INTERFACCIA DI MONTAGGIO Castello motore originale Smorzatori (Mounts) Parafiamma Cofano 5

6 INTERFACCIA DI MONTAGGIO 6

7 POSIZIONAMENTO DEL MOTORE E MONTAGGIO DEL GRUPPO TURBO E DEL COLLETTORE DI ASPIRAZIONE Fattori considerati per la ricerca della posizione migliore: Compatibilità con l interfaccia di montaggio Posizione relativa tra albero motore e asse elica Posizione del baricentro del motore Peso del riduttore installato: 9.9 kg 7

8 POSIZIONAMENTO DEL MOTORE E MONTAGGIO DEL GRUPPO TURBO E DEL COLLETTORE DI ASPIRAZIONE 8

9 POSIZIONAMENTO DEL MOTORE E MONTAGGIO DEL GRUPPO TURBO E DEL COLLETTORE DI ASPIRAZIONE 9

10 POSIZIONAMENTO DEL MOTORE E MONTAGGIO DEL GRUPPO TURBO E DEL COLLETTORE DI ASPIRAZIONE 10

11 SCELTA E PROGETTAZIONE MONTAGGIO MOTORE Si è scelto di: - utilizzare supporti originali installati - progettazione di un controtelaio Materiale: Acciaio 25CrMo4 Caratteristiche: - Densità: 7800 kg/m3 - Modulo di Young: N/mm^2 - Coefficienti di Poisson: 0,3 - Sforzo a rottura: 1100 N/mm^2 - Sforzo a snervamento: 800 N/mm^2 Individuate due possibili soluzioni: - attacchi testa e carter - attacchi basamento e carter peso finale del controtelaio: 4,37 kg 11

12 SCELTA E PROGETTAZIONE MONTAGGIO MOTORE 12

13 SCELTA E PROGETTAZIONE MONTAGGIO MOTORE 13

14 CARICHI TRASMESSI DAL MOTORE AL CONTROTELAIO (1 di 2) Caso peggiore: manovra di richiamata e massima potenza di propulsione Carichi considerati: Carichi di massa Carichi propulsivi : - spinta dell elica - coppia di reazione Quantificazione dei carichi: Fattore di carico limite positivo utilizzato: 4.4 (da Normativa CS 23) Elica tirante ideale: 2 kg-f per ogni HP motore => introdotto FS = 1.18 (Tmax_reale non supera 1.64 kg-f per HP motore) P app. = 5778 N T max = 4119 N M reazione = 56 Nm M ribaltamento = 264 Nm 14

15 CARICHI TRASMESSI DAL MOTORE AL CONTROTELAIO (1 di 2) 15

16 CARICHI TRASMESSI DAL MOTORE AL CONTROTELAIO (2 di 2) Esempio modello: Papp. + b Papp. + b Papp. + a Papp. + a f e d c a + b a + b a + b a + b ; Papp.2 = ; Papp.3 = ; Papp.4 = Papp.1 = e + f e + f c + d c + d Vn = Papp.n + PM ribaltamento n + PCreazione n per n = 1,..., 4 On = Tn RISULTATI: Risultanti verticali sugli attacchi: V1 = 3413 N V2 = 2437 N V3 = 504 N V4 = -846 N Risultati orizzontali sugli Attacchi: O1 = 2412 N O2 = 2412 N O3 = -352 N O4 = -352 N 16

17 VERIFICA DEL CONTROTELAIO Software utilizzato: CosmosWorks 2007 Eseguita una prova statica con mesh solida Elementi: - lunghezza circa 4.01 mm - tolleranza circa 0.2 mm Verifica a rottura con i carichi di robustezza σmax = 710 N/mm^2 FS= 1.5 σr = 1100 N/mm^2 σ σ rottura MAX 1.5 = > 1 => Struttura verificata 17

18 ULTERIORI COMPONENTI DI INSTALLAZIONE Scambiatori di calore: Misurazioni Volume: Radiatore Intercooler Radiatore gasolio - radiatore - intercooler - radiatore del gasolio [mm3] x 10^ x 10^ x 10^6 [m3] origine componente: Filtro dell aria componente originale Tubo di scarico Serbatorio dell olio(2.5 l) serbatoio olio motore rotax Serbatorio del gasolio(5 l) Tubazioni principali Convogliatori d aria E stato verificato il vincolo sul massimo peso installabile sul castello motore 18

19 ULTERIORI COMPONENTI DI INSTALLAZIONE 19

20 CENTRAGGIO VELIVOLO 1 di 2 Centraggio laterale Componenti considerati: Motore Serbatoi di olio e gasolio Controtelaio Pacco accumulatori Si impone che il baricentro del gruppo motore appartenga al piano di simmetria del velivolo Pg bg١ + Po bo١ + Pp.b. bp.b.١ Pm bm١ Pct bct١ = ٠ => Pp.b. bp.b.١ = ٨٥٠٤ Nmm 20

21 CENTRAGGIO VELIVOLO 2 di 2 Centraggio longitudinale Componenti considerati: Motore Serbatoi di olio e gasolio Controtelaio Riduttore Pacco accumulatori E stato imposto un momento Mvm del gruppo rispetto al parafiamma M VM = ٦٧,١٢ kg m = ٦٥٨, ٢٢ Nm = ٦٥٨ ٢٢٠ Nmm Pct bct ٢ Pg bg ٢ Pm bm ٢ Pp.b. bp.b.٢ Po bo ٢ Prid brid ٢ = M VM => Pp.b. bp.b.٢ = ٥٨ ٩٦٩ Nmm 21

22 PACCO ACCUMULATORI Con le due condizioni imposte dal centraggio, tramite un processo iterativo, si è risaliti a delle caratteristiche per il pacco accumulatori Data sheet: batteria al piombo Capacità: 45 Ah Tensione: 12 V Dimensioni: 198 x 166 x 174 mm Peso: 15 kg Pp.b. bp.b.1 = Nmm P b = Nmm p.b. p.b.2 e la sua disposizione nell installazione: bp.b.١ = ٥٧.٨mm ; ٥٨mm bp.b.٢ = ٤٠١.١mm ; ٤٠١mm => eseguita con successo la verifica all interferenza 22

23 CONCLUSIONI 1. l installazione del nuovo propulsore è fattibile 1. l aeromobile non necessita di nuove certificazioni aeronautiche 1. l installazione così realizzata si può definire di tipo plug and play, fatta eccezione per gli scambiatori di calore e pacco acculatori 1. il ricorso a componenti già montati nelle installazioni esistenti è stato massimizzato; dunque la tendenza è quella di una riduzione dei costi di installazione 1. si è verificato che non è stato superato il peso delle precedenti installazioni 1. infine, combinando l affermazione 3 e 4 è possibile osservare che la tendenza procede anche verso una riduzione dei tempi di installazione. SVILUPPI FUTURI modifica del carter: progettazione dell installazione definitiva. - riscontrata interferenza con i supporti (risolta) - per consentire un miglior recupero dell olio (non previsto il posizionamento orizzontale) 23

24 CONCLUSIONI 24

25 RINGRAZIAMENTI GRAZIE A TUTTI PER AVERMI ASCOLTATO Si ringraziano per l aiuto e la collaborazione: Prof. Ing. Luca Piancastelli Ing. Gianmichele Bertini (Dott.??) Emanuele Luigi de Angelis Ing. Roberto Girelli Tutto il gruppo di lavoro Dieseljet ed Aernova DEDICATO ai miei genitori a nonna Roberta ed un caro pensiero ai nonni Giovanni, Umberto e Carmen 25