Studio di massima dell albero e prototipazione del compressore per un gruppo di sovralimentazione ad altissimo rapporto di compressione

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1 Studio di massima dell albero e prototipazione del compressore per un gruppo di sovralimentazione ad altissimo rapporto di compressione Tesi di laurea di Marco Lambertini

2 Questo lavoro si inserisce in un progetto più ampio di trasformazione di un motore Diesel terrestre in un motore Diesel aeronautico, focalizzando l attenzione sull aumento della quota di ristabilimento Per quota di ristabilimento si intende la quota massima a cui l aereo può spingersi senza perdite di potenza Si assume come punto di partenza il risultato del progetto del compressore centrifugo ad elevatissimo rapporto di compressione (β=8) che consente di incrementare la quota di ristabilimento del motore

3 Caratteristiche del compressore Portata in massa d aria del compressore: 500 kg/h Rendimento del compressore: η = 50% Velocità di rotazione: n max = rpm Rapporto di compressione massimo: β=8 Quota di ristabilimento ottenibile = 7315 m Numero di pale 18 Diametro della girante 70 mm Diametro condotto di aspirazione 41 mm Spessore pale 0,5 mm

4 Obiettivi generali della Tesi Ottimizzazione della girante del compressore al fine di una realizzazione su macchina utensile Definizione del ciclo di lavorazione e realizzazione del prototipo nel Laboratorio di Forlì Progetto dell albero di collegamento fra compressore e turbina Analisi delle problematiche relative al bilanciamento del rotore Definizione del design di diffusore e voluta

5 Finalità dell ottimizzazione della girante Riduzione di peso Riduzione del momento d inerzia Adattamento della girante alla propria sede Facilitazione della lavorazione alla macchina utensile

6 Metodologie per l ottimizzazione del design della girante Riduzione del numero degli inducer Aumento dello spessore delle pale Adattamento del fondo Adattamento dei raccordi alla lavorazione con fresa di 3 mm Definizione tipologia di accoppiamento con l albero Predisposizione di scavi ad arco di cerchio per alleggerimento

7 Definizione del ciclo di lavorazione Realizzazione del percorso utensile, mediante il software CAM Cimatron, su un settore di 40 della girante Lavorazione impostata con una fresa a candela di 3 mm e con i parametri della macchina adeguati alla lavorazione dell alluminio Definizione del codice compatibile con la macchina a controllo numerico presente al Laboratorio di Forlì (linguaggio ISO FIDIA C1)

8 Produzione della girante Tornitura del grezzo Lavorazione delle pale alla macchina a CN Realizzazione del foro filettato Spianatura e definizione del piatto della girante

9 Diagramma di flusso per il dimensionamento dell albero Parametri prototipo compressore Individuazione dati noti Parametri progetto turbina (assiale a due salti di velocità) Determinazione dei parametri incogniti dell albero Primo dimensionamento di tentativo dell albero relativamente alle condizioni di criticità Ricerca della sede centrale commerciale adeguata Ottimizzazione turbina Parametri prototipo turbina Dimensionamento definitivo dell albero sulla base dei dati della sede centrale Verifica delle condizioni di criticità, della resistenza e della pressione sui cuscinetti

10 Calcolo velocità critiche Calcolo della velocità critica flessionale con il metodo approssimato di Stodola considerando l effetto irrigidente della girante sull albero. Si è supposto che la linea elastica dovuta ai carichi statici e quella corrispondente alla prima velocità critica siano affini, lavorando sul rotore come su una trave caricata staticamente. Calcolo della velocità critica torsionale mediante la definizione di una rigidezza torsionale equivalente che valuti le variazioni di sezione e i raggi di raccordo dell albero

11 Risultati del primo dimensionamento di tentativo dell albero Velocità critica torsionale = rpm Velocità critica flessionale = rpm Questa soluzione, realizzata analizzando alcune soluzioni commerciali, ha un valore indicativo e andrà rivista compatibilmente alle caratteristiche del blocco centrale e alle specifiche del prototipo della turbina

12 Cause di squilibrio Imperfezioni nella realizzazione alle macchine utensili del pezzo, in particolare per quanto riguarda le pale e la spaziatura interpalare Non perfetta omogeneità dei materiali utilizzati nella realizzazione dei pezzi Difetti nella realizzazione del foro centrale Scarsa finitura superficiale dei due perni dell albero

13 Equilibratura L elevatissima velocità di rotazione dell albero presuppone pertanto una adeguata equilibratura mediante la sottrazione di parti di materiale dalla zona inferiore dei piatti delle giranti che vengono assunti come piani di equilibratura Per turbocompressori di utilizzo aeronautico è richiesto un grado di equilibratura di 6,3 [mm/s] (tolleranza di equilibratura x velocità di rotazione)

14 Dati di progetto di diffusore e voluta E stato scelto un diffusore liscio che garantisce semplicità costruttiva e aumenta la fascia di utilizzo del compressore, qualità tali da compensare la bassa efficienza Si sono determinate le aree di passaggio del fluido nella voluta sotto le ipotesi di flusso isoentropico, fluido incomprimibile e validità della legge del vortice libero e corrette tenendo conto delle perdite per attrito

15 Definizione del design di voluta e diffusore E stato predisposto un gioco di 0,15 mm fra la parte centrale del diffusore e il profilo esterno delle pale della girante Le sezioni di passaggio rettangolari sono state adeguatamente raccordate Si è previsto un foro per il rilevamento della pressione all interno della voluta

16 Conclusioni La realizzazione accurata del prototipo della girante ha richiesto notevoli semplificazioni nella geometria della stessa. Il risultato sperimentale è di buona qualità e il compressore può essere utilizzato senza ulteriori lavorazioni La progettazione di massima dell albero del rotore necessita una scelta del diametro che assicuri condizioni di sicurezza in relazione alle velocità critiche

17 Conclusioni L altissima velocità di rotazione del rotore pone in primo piano il problema del bilanciamento che andrà eseguito con molta accuratezza