Studio di massima del comportamento in regime di off- design di un compressore per motore aereonautico

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1 Università degli studi di Bologna FACOLTA DI INGEGNERIA Tesi in disegno tecnico industriale Studio di massima del comportamento in regime di off- design di un compressore per motore aereonautico Candidato Lucio Zanotti Relatore Prof. Ing. Luca Piancastelli 1

2 Obiettivi della tesi Dimensionamento dello statore del compressore nel caso di motore diesel ibrido sovralimentato da monoturbina Realizzazione di pale a geometria variabile nello statore del compressore per permettere un corretto funzionamento del compressore stesso a diverse velocità di rotazione,in condizioni di avviamento o quando si ha necessità di maggior potenza 2

3 Dati a mia disposizione Rotore del compressore della Allison originale digitalizzato Dati sperimentali della turbina Allison originale Portata d aria d richiesta dal motore diesel (3,8 kg/s) Numero di giri dell albero turbina al decollo (3140 rad/s) 3

4 Funzionamento Allison originale La turbina può funzionare sia da motore ausiliario che come sistema di sovralimentazione. Il compressore è a flusso misto. Infatti i primi 6 stadi sono assiali e l ultimo l è centrifugo 4

5 FUNZIONAMENTO AL DECOLLO 5

6 FUNZIONAMENTO IN CROCIERA 6

7 FUNZIONAMENTO EMERGENZA 7

8 Teoria della similitudine Due macchine sono simili se contemporaneamente sono verificate Similitudine geometrica : tutte le dimensioni corrispondenti stanno fra loro in rapporto costante Similitudine cinematica :le velocità stanno tra loro in rapporto costante,in pratica simili triangoli di velocità Similitudine dinamica :le forze stanno fra loro in rapporto costante Stesso numero di Mach 8

9 Dimensionamento Compressore Sfrutto la teoria della similitudine per trovare l area di passaggio nel compressore, da quello di cui ho i dati, che lavora con una portata di 1,36 kg/s a quello per il diesel ibrido che ha una portata di 3,8 kg/s. Impongo l uguaglianza l dei triangoli di velocità Con Mathematica trovo il diametro del mozzo e l altezza delle pale di ogni stadio, imponendo il raggio medio di ogni stadio in modo da avere la stessa velocità tangenziale, per verificare la similitudine cinematica 9

10 Disegno delle pale statoriche Rilevamento degli angoli di entrata di ogni stadio rotorico dal disegno del rotore digitalizzato 10

11 Modifiche al compressore per funzionare in condizioni di off- design Da studi su testi dedicati ho dedotto che la soluzione migliore per risolvere il problema è di usare alcune schiere di pale statoriche regolabili nella parte frontale dello statore e nello stadio di prerotazione (IGV). Ciò consente di ritardare l insorgere dei fenomeni di stallo o di choking del compressore. Solitamente si usano pale regolabili per la metà degli stadi del compressore,così ho modificato lo statore del compressore e l IGV l di conseguenza 11

12 IGV attualmente in uso 12

13 IGV con le pale regolabili Disco movimenta Pale Pale regolabili 13

14 Statore compressore attualmente in uso 14

15 Statore con pale regolabili Pale regolabili 3 stadio Pale regolabili 1 stadio Pale regolabili 2 stadio Dischi movimenta pale 15

16 Accoppiamento pala regolabile-statore 16

17 Movimentazione delle pale 17

18 Triangoli di velocità L utilizzo di una lega di titanio al posto del materiale attualmente in uso consente una maggior velocità di rotazione dell albero del gruppo turbocompressore, tale velocità la sfrutto in condizioni di emergenza, quando il motore diesel non funziona, per dare maggior potenza all elica dell aereo. Con le tecniche odierne è possibile disporre di una lega di titanio con resistenza del 30% maggiore rispetto al materiale usato finora per il compressore 18

19 Velocità di rotazione La forza che principalmente agisce sulla pala è quella centrifuga per cui trovo la velocità di rotazione cui può andare l albero l realizzato con il nuovo materiale Velocità di rotazione massima del nuovo albero ω=3580 rad/s; superiore rispetto ai 3140 rad/s dell albero precedente 19

20 Triangolo di velocità aumentando U 20

21 Triangolo di velocità a portata aumentata 21

22 CONCLUSIONI Le modifiche apportate al compressore lo rendono più versatile ed in grado di lavorare con affidabilità anche in regimi di velocità e portata diversi da quelli di progetto, situazione solitamente critica per i compressori assiali. Per sfruttare la maggior velocità di rotazione della lega di titanio in esame occorre modificare la turbina collegata al compressore. 22