Progettazione e realizzazione di un albero per un gruppo di sovralimentazione per uso aeronautico

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1 Progettazione e realizzazione di un albero per un gruppo di sovralimentazione per uso aeronautico

2 Questo lavoro si inserisce nel progetto di un sistema di sovralimentazione ad altissimo rapporto di compressione per uso aeronautico. Tale progetto intende raggiungere i seguenti risultati: Aumentare il rapporto potenza/peso del motore Elevare il rapporto di compressione per elevare la quota di ristabilimento a parità di potenza Assicurare l affidabilità del motore per 1800h Creare un prototipo di turbocompressore per la sperimentazione

3 Obbiettivi generali della tesi L obbiettivo della mia tesi era quello di progettare e realizzare un albero, per un gruppo di sovralimentazione, che si adattasse alla girante di un compressore, preventivamente progettata e realizzata, predisposto all accoppiamento con una turbina non ancora realizzata. Ulteriore obbiettivo era quello di sostituire, in fase progettuale, i classici cuscinetti a strisciamento (bronzine) con cuscinetti a sfere.

4 Diagramma di flusso per il dimensionamento dell albero

5 Dimensionamento di tentativo dell albero Per alberi sottoposti ad elevate velocità di rotazione ed a bassi valori di sollecitazioni flessionali e torsionali, si imposta il progetto prendendo come punto di riferimento fondamentale le velocità critiche. Una volta determinate la dimensioni definitive dell albero, si provvederà alle opportune verifiche di resistenza.

6 Analisi schematica dello sviluppo logico del progetto Valutazione dei parametri in gioco Dimensionamento dell albero in relazione alle velocità critiche flessionali e torsionali Scelta dei cuscinetti Verifica di resistenza dell albero

7 Valutazione dei parametri in gioco Si possono dividere i parametri in gioco in due categorie: Parametri di natura geometrica Lunghezza totale dell albero Lunghezza degli sbalzi, lato compressore e lato turbina, riferiti ai baricentri delle giranti Diametri relativi alle suddette lunghezze Lunghezza dei tratti corrispondenti ai cuscinetti (appoggi) Diametri dei cuscinetti Parametri caratteristici delle giranti Peso delle giranti (turbina e compressore) Momenti d inerzia delle giranti

8 Dimensionamento dell albero in relazione alle velocità critiche flessionali e torsionali Questa parte del lavoro è stata sviluppata impostando un foglio di calcolo all interno del quale, variando uno qualsiasi dei parametri visti in precedenza, si ottiene come risultato il valore delle velocità critiche flessionali e torsionali, in base alle metodologie che verranno analizzate ora, riferendoci alla dinamica del rotore

9 Velocità critiche flessionali Nella determinazione delle velocità critiche flessionali, occorre tenere conto dell effetto dell inerzia trasversale delle masse. La determinazione della prima velocità critica flessionale viene effettuata mediante il procedimento di iterazione(metodo di Stodola)

10 Metodo di Stodola Si è scelto di utilizzare il Metodo di Stodola, in quanto è un metodo ben consolidato che permette, tramite i suoi indici, di sapere se si è sufficientemente lontani dalla prima velocità critica. Formula della prima velocità critica calcolata col metodo di Stodola: 2 1 = g k m i k f 2 i m f i i k A ϕ 2 i i

11 Velocità critiche torsionali La determinazione della prima velocità critica torsionale si fa considerando l albero a sezione non uniforme, dinamicamente equivalente ad uno di sezione uniforme e lunghezza tale da avere la stessa rigidezza torsionale. Infine viene considerata l influenza dei raccordi sulla rigidezza torsionale.

12 Si termina il dimensionamento in base alle velocità critiche, ricordando che l obbiettivo è quello di far lavorare l albero in condizioni di subcriticità, ovvero, ad una velocità inferiore della prima critica

13 Verifica di resistenza Si analizzano le sollecitazioni in gioco, schematizzando il rotore come un albero privo di massa, con i pesi delle due giranti considerati come forze esterne. E evidente come l albero sia sottoposto fondamentalmente a due tipi di sollecitazioni: una flessione alternata determinata dai pesi delle giranti sull albero rotante un momento torcente pulsante dovuta al fatto che l energia trasmessa dal fluido alle pale della turbina non è costante in un ciclo.

14 Verifica di resistenza Risulta però evidente come le sollecitazioni in gioco siano estremamente ridotte, avendo carichi concentrati dell ordine di qualche N, ed avendo una velocità di rotazione talmente elevata da determinare, con le potenze in gioco trasmesse all albero dell ordine di alcune decine di KW, momenti torcenti sullo stesso molto bassi. In definitiva si può affermare come sia superfluo verificare la resistenza di un albero in acciaio sollecitato in questo modo, potendone garantire a priori la resistenza.

15 Scelta dei cuscinetti Avendo giranti di elevato diametro, quindi con elevate inerzie e risposte lente alle variazioni di potenza, e lavorando, inoltre, a regimi di rotazione inferiori, rispetto a quelli di un turbocompressore automobilistico (circa rpm anziché circa rpm) si possono utilizzare, in luogo delle classiche bronzine, cuscinetti a sfere, ceramici a pieno riempimento. Dopo una lunga ed infruttuosa ricerca di mercato tra le ditte costruttrici di cuscinetti, che si sono dimostrate scarsamente interessate e poco disponibili a fornirci informazioni e supporto, si è deciso di utilizzare gli stessi cuscinetti di un turbojet già esistente, il KJ66, il cui regime massimo di rotazione ( rpm) è vicino al nostro.

16 Vantaggi dei cuscinetti a sfere Con il motore al minimo, e quindi con bassissimi regimi di rotazione della turbina, le bronzine agiscono come una sorta di tappo al passaggio dell olio, tendendo, quindi, ad inchiodarsi, per la scarsa lubrificazione. Questo fenomeno è accentuato dall utilizzo, in aeronautica, di oli molto fluidi, per ovviare alle difficili condizioni ambientali che si possono incontrare, ma dal ridotto effetto lubrificante. Vantaggio dei cuscinetti a sfere è di non soffrire di questo fenomeno. Tale vantaggio è di grande importanza per gli aerei di piccola taglia, cui si rivolge questo progetto, in quanto, nei grandi aeroporti, sono frequenti le lunghe attese al minimo, prima della partenza.

17 Lubrificazione Per la lubrificazione di tali cuscinetti verranno utilizzati vapori d olio, ovvero, verrà spillata, mediante un foro sulla girante del compressore, una certo quantitativo di aria, in cui verranno nebulizzate piccole quantità di olio. Si avrà, quindi, un certo consumo di olio, che può essere ritenuto irrilevante poiché quantificabile in pochi grammi all ora.

18 Velocità critica torsionale rpm Velocità critica flessionale rpm Questa soluzione ha un valore indicativo e andrà rivista compatibilmente alle caratteristiche del blocco centrale e alle specifiche del prototipo della turbina.

19 Indici di Stodola Velocità massima di rotazione: rpm Flessionale: Nfless/Nmax = 1,10 Torsionale: Ntors/Nmax = 1,27 Sulla base dell esperienza, si può affermare che, tali valori, sono accettabili.

20 Realizzazione dell albero Trattandosi di un prototipo, si è deciso di realizzare l albero utilizzando un comune tornio manuale, ovviamente, considerate le strette tolleranze richieste dal tipo di utilizzo, per la realizzazione dell albero definitivo, sarà necessario utilizzare un tornio a controllo numerico.

21 Alcune fasi della lavorazione

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23 Conclusioni Al termine dello studio e della realizzazione dell albero, si può affermare che la soluzione di utilizzare cuscinetti a sfere, è applicabile a livello ingegneristico. La scelta di utilizzare i cuscinetti della KJ66, ha costretto ad un leggero sovradimensionamento del diametro dell albero. Uno dei possibili sviluppi futuri, potrebbe essere quello di rivedere tale progetto in relazione alla continua evoluzione della tecnologia dei cuscinetti a sfere, onde raggiungere regimi di rotazione ancora più elevati, rendendo così possibile l applicazione di tale tecnologia, anche al campo automobilistico.