Analisi ed ottimizzazione di un impianto propulsivo a due motori per un addestratore avanzato

Transcript

1 ALMA MATER STUDIORUM- UNIVERSITA DI BOLOGNA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Sede Forlì Analisi ed ottimizzazione di un impianto propulsivo a due motori per un addestratore avanzato CANDIDATO Mirko Rontini RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli CORELATORI Dott. Ing. Cristina Renzi Anno Accademico 2006/2007 III sessione di laurea 1

2 SF 260 Piccolo aereo da turismo Grandi doti di volo Addestramento piloti 2

3 SF 260 SOLUZIONE IN USO MOTORE LYCOMING MODELLO O-540-E4A5 motore a pistoni 6 cilindri contrapposti (Boxer) Potenza: 260 hp Massa a secco: Altezza: Larghezza: Lunghezza: 180 kg 624 mm 848 mm 946 mm Vecchia generazione Massa Ingombri 3

4 SF 260 NUOVA SOLUZIONE 2 MOTORI YAMAHA R1 MODIFICATI PER USO AERONAUTICO 4 cilindri in linea Sovralimentati Cilindrata: 998 cc Potenza (ogni motore): 250 hp (14500rpm) Massa a secco: 45 kg Tecnologicamente avanzato Alte potenze specifiche Grande affidabilità (della versione motociclistica) 4

5 DUE ELICHE COASSIALI CONTROROTANTI INDIPENDENTI (movimentate ognuna da un diverso motore) 5

6 DUE ELICHE VANTAGGI: -Annullamento momento giroscopico: le due eliche producono due momenti giroscopici uguali ma di segno opposto che si annullano a vicenda, vantaggi per il pilotaggio. -Miglior rendimento -Aumento sicurezza: in caso di avaria di un motore si può comunque contare sulla spinta del secondo motore per effettuare le manovre di rientro. -Dimimunzione del diametro complessivo con la possibilità di installare un carrello più piccolo 6

7 DUE FASI DI SVILUPPO 1)Progettazione del sistema di riduzione e di trasmissione del moto alle eliche. 2)Riduzione delle masse e ottimizzazione del sistema. 7

8 REGIMI DI ROTAZIONE Le estremità dell elica non possono oltrepassare la velocità del suono, per questo è necessario limitare il numero di giri. Nel caso in esame, il regime da raggiungere è di circa rpm Il motore R1 in versione aeronautica è dotato di un riduttore la cui uscita ruota a 3855 rpm. E NECESSARIO INTRODURRE UN SECONDO STADIO DI RIDUZIONE 8

9 RAPPORTO DI TRASMISSIONE Alberi a camme Manteniamo invariata la geometria del primo stadio di riduzione n Riduttore principale Albero motore 9

10 RAPPORTO DI TRASMISSIONE il numero di giri in entrata del secondo stadio è 3855 rpm il numero di giri dell elica è circa 2600 rpm Il rapporto di trasmissione del secondo stadio: nin 3855 τ = = 1,5 nout

11 DISPOSIZIONE MOTORI aspirazioni Interasse 300 mm Aspirazioni al centro Scarichi all esterno scarichi 300 mm 11

12 DISPOSIZIONE MOTORI gruppo ausiliari Rotazione in senso opposto Inclinazione 15 per guadagnare spazio al centro per il gruppo degli ausiliari 15

13 CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DELLE RUOTE DENTATE TEORIE DI RIFERIMENTO: Resistenza a flessione del dente (Lewis) Resistenza alla fatica e all usura (Pitting) METODO PRATICO UTILIZZATO: Handbook Engeneering di Solid Edge V18 13

14 TRASMISSIONE DELLA COPPIA Alte coppie in gioco: P P C= = = = 680 Nm ω 2π n 2π 2570 E necessario tenere conto anche dei profili scanalati nel dimensionamento degli alberi. SCELTA: Processo iterativo Verifica tramite Handbook Engineering Miglior compromesso tra lunghezza e diametro 14

15 TRASMISSIONE DELLA COPPIA HANDBOOK ENGENEERING DI SOLID EDGE V18 15

16 SCELTA DEI CUSCINETTI ALBERI CONTROROTANTI C È un aspetto di fondamentale importanza per A B quanto riguarda la progettazione dei due alberi D controrotanti. SCELTA DEL CUSCINETTO: In base al tipo di carichi a cui deve reagire In base agli spazi a disposizione PUNTO PUNTO B: A: D: C: cuscinetto cuscinetto aa combinato rulli rullini conici cilindrici a rullini (carico(carico (carico radialeradiale assiale radiale, + assiale, ++ingombri bloccaggio carico ingombri radiale) ridotti) albero) ridotti) 16

17 SCELTA DEI CUSCINETTI ALBERI CONTROROTANTI È un aspetto di fondamentale importanza per quanto riguarda la progettazione dei due alberi controrotanti. SCELTA DEL CUSCINETTO: In base al tipo di carichi a cui deve reagire In base agli spazi a disposizione 17

18 SCELTA DEI CUSCINETTI ALBERI CONTROROTANTI A C D B PUNTO A: cuscinetto a rulli conici (carico assiale + carico radiale) 18

19 SCELTA DEI CUSCINETTI ALBERI CONTROROTANTI A C D B PUNTO B: cuscinetto a rulli conici (carico radiale + bloccaggio albero) 19

20 SCELTA DEI CUSCINETTI ALBERI CONTROROTANTI A D C B PUNTO C: cuscinetto combinato a rullini (carico radiale + assiale, ingombri ridotti) 20

21 SCELTA DEI CUSCINETTI ALBERI CONTROROTANTI A C D B PUNTO D: cuscinetto a rullini cilindrici (carico radiale, ingombri ridotti) 21

22 DIMENISONAMENTO E VERIFICA ALBERI IMPLEMENTAZIONE DEL MODELLO MECCANICO SI CONSIDERANO: i punti di applicazione delle forze al centro delle ruote dentate le reazioni vincolari applicate al centro dei cuscinetti i vincoli in modo tale da ottenere travi isostatiche 22

23 DIMENISONAMENTO E VERIFICA ALBERI STUDIO DELLE SOLLECITAZIONI INTERNE: Si tiene conto anche del momento giroscopico Calcolo degli sforzi equivalenti secondo Von Mises Materiale utilizzato: lega di Titanio Ti6Al4V 23

24 RUOTE ALLEGGERITE Dentatura in acciaio per problemi di pitting Ruota componibile Ruote (acciaio) e mozzo (lega titanio) chiodate sulle razze (lega titanio) 14NiCr18 Ti6Al4V 24

25 RISULTATO PRIMA FASE 25

26 FASE DI OTTIMIZZAZIONE Un motore a combustione interna, per funzionare, ha bisogno di alcuni ausiliari: Gruppo pompe (pompa dell acqua e pompa dell olio) Alternatore Motorino di avviamento 26

27 FASE DI OTTIMIZZAZIONE L IDEA Utilizzare un gruppo di ausiliari centrale che sia lo stesso per entrambi i motori. IL PROBLEMA In caso di avaria di un motore, anche il secondo motore sarebbe inutilizzabile. È NECESSARIO LO STUDIO DI UN SISTEMA: movimentato da entrambi i motori, che non viene bloccato dallo stop di un motore. 27

28 IL MECCANISMO ruota 1 ruota 2 spina La ruota 1 è collegata all albero tramite una ruota libera. La ruota 2 è solidale all albero e bloccata tramite spina elastica. ruota libera 28

29 IL MECCANISMO ruota 1 ruota 2 spina Se la ruota 1 viene messa in rotazione nel senso di blocco della ruota libera, tutto l albero va in rotazione ruota libera Ma se la ruota 1 si blocca, l albero è libero di continuare a ruotare 29

30 Collegate insieme IL MECCANISMO RISULTATO Sfalsate tra loro e collegate ognuna al riduttore principale del rispettivo motore Due alberi che continueranno a ruotare anche in caso di avaria di un motore. 30

31 IL MECCANISMO Gruppo pompe collegato mediante ingranaggio agli alberi. Motorino di avviamento dotato di due pignoni montati su due ruote libere dal senso di blocco inverso. Ruote del primo stadio di riduzione 31

32 IL GRUPPO POMPE PORTATA DOPPIA Incremento dimensioni Incremento numero di giri Migliore in termini di peso Pompe precedentemente sovradimensionate Leggero aumento rumorosità pompa dell olio 32

33 ALTERNATORE Purtroppo per motivi di spazio tra i due motori, non è stato possibile integrare l alternatore nel gruppo centrale degli ausiliari. vecchio alternatore MODIFICA Sostituzione del modello originale, più pesante e ingombrante, con un nuovo alternatore ricavato da un motorino di avviamento utilizzato a funzionamento invertito. 33

34 ALTERNATORE Purtroppo per motivi di spazio tra i due motori, non è stato possibile integrare l alternatore nel gruppo centrale degli ausiliari. MODIFICA Sostituzione del modello originale, più pesante e ingombrante, con un nuovo alternatore ricavato da un motorino di avviamento utilizzato a funzionamento invertito. nuovi alternatori 34

35 RISULTATO FINALE CALCOLO PESI: -Motore YAMAHA R1 (45 kg x 2) 90,0 kg -Alberi controrotanti e secondo stadio: 9,2 kg -Meccanismo trasmissione pompe: 0,8 kg -Eliminazione di 1 gruppo ausiliari: -4,2 kg -Sostituzione alternatori (-1,4 kg x 2): -2,8 kg -Alleggerimento riduttore primo stadio (-3,8 kg x 2): -7,6 kg TOTALE: 85,4 kg LYCOMING: 180 kg 35

36 RISULTATO FINALE CONFRONTO INGOMBRI LYCOMING 946 mm NUOVA SOLUZIONE 620 mm 36

37 RISULTATO FINALE CONFRONTO INGOMBRI NUOVA SOLUZIONE LYCOMING 624 mm 848 mm 430 mm 570 mm 37

38 RISULTATO FINALE VISTA DALL ALTO riduttore 38

39 RISULTATO FINALE VISTA DALL ALTO gruppo ausiliari 39

40 RISULTATO FINALE 40

41 SVILUPPI FUTURI Costruzione di un carter adeguato e lubrificato sia per il gruppo di riduzione sia per il gruppo ausiliari. Collegamento dell alternatore al gruppo ausiliari centrali. Studio del castello per collegare il motore all aereo. 41

42 GRAZIE PER L ATTENZIONE 42