Studio di fattibilità di un basamento con testate integrali per un motore aeronautico

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1 Studio di fattibilità di un basamento con testate integrali per un motore aeronautico RELATORE: Prof. Ing. Luca Piancastelli CORRELATORI: CANDIDATO: Fabrizio Pandolfini Prof.Ing.FRANCO PERSIANI Prof. Ing.GIANNI CALIGIANA Prof. Ing. LUCA TOMMESANI Prof. Ing. ALFREDO LIVERANI Dott.Ing.GIAMPAOLO CAMPANA 1

2 DB 605 ghiera Camicia avvitata Bancata cilindri Impostazione del problema Obiettivo generale: valutare la fattibilità di un motore alternativo aeronautico di grande potenza (1470 kw CV) Si è partiti da un motore storico : il DB-605 (1176 kw CV ) a 2800 rpm,, 12 cilindri a V rovesciato, cc,, aspirato a terra con compensazione automatica della quota mediante compressore centrifugo azionato da giunto idraulico, iniezione meccanica del carburante. Il motore originale aveva un grave difetto di durata (circa 30 h) dovuto alla costruzione del basamento in 3 parti con camicie avvitate di collegamento. L obiettivo di un motore moderno competitivo rispetto ai turbogas è di circa 3000 h (MTBO, Mean Time Between Overhaul). 2

3 Obiettivo della tesi Individuazione delle soluzioni per garantire i requisiti fondamentali Realizzazione del basamento tramite modellazione CAD (Solid Edge 12) Ottimizzazione del processo fusorio del basamento attraverso la modellistica di solidificazione assistita al calcolatore (Solid Cast) 3

4 Modifiche al basamento Integrazione del basamento con i gruppi dei cilindri al fine di eliminare il collegamento tramite camicie e ghiere; Studio di una geometria CAD che agevoli il processo fusorio e scelta del materiale da impiegare Sistemazione delle candele sulla parte più esterna dei cilindri; Estensione dei coperchi di chiusura del motore; Studio delle forze nel riduttore e scelta dei cuscinetti; 4

5 Quesiti E REALIZZABILE LA FUSIONE IN LEGA LEGGERA, CANNE CROMATE, TESTATE INTEGRALI DI UN COMPONENTE COMPLESSO COME UN BASAMENTO MOTORE CON RIDOTTE SEZIONI E DIMENSIONI ELEVATE? (Si, ma con grandi difficoltà e con dubbi sulla qualità finale del prodotto) E realizzabile la fusione in ghisa CGI di un componente complesso come un basamento motore con testate integrali con ridotte sezioni e dimensioni elevate? (Probabilmente si, ma da verificare) Simulazione con SOLIDCAST 5

6 Soluzione pensata La drastica eliminazione del numero complessivo di componenti del motore rappresenta una scelta decisiva per garantire l affidabilità ed una corretta manutenzione di un motore aeronautico L utilizzo della ghisa a grafite compatta, permette tramite la simulazione al calcolatore delle sollecitazioni sul basamento motore, una progettazione a vita infinita oltre ad offrire elevata rigidezza La scelta di questo materiale permette l adozione di canne integrali per i cilindri garantendo un corretto smaltimento del calore, cosa che non si riusciva ad ottenere nella versione originale del motore 6

7 Complessivo del manovellismo di spinta 7

8 Complessivo del motore 8

9 Problematiche connesse con la fusione del basamento La fusione di un componente di queste dimensioni con sezioni ridotte collegate ad altre di spessore elevato, comporta gravi problemi durante il processo fusorio. Si possono avere delle zone all interno della forma, nelle quali non affluisce il metallo fuso perché bloccato da altro metallo in parte già raffreddato. Durante il raffreddamento, a causa della diminuzione di volume specifico del materiale, si possono avere delle zone di tensionamento all interno del materiale, che possono causare rotture del basamento. Queste possono innescarsi sia durante il processo di raffreddamento, perché il materiale non ancora completamente solido non reagisce alle sollecitazioni, sia con il basamento in opera a causa delle elevate tensioni residue. 9

10 I fase test su Solid Cast con modello semplificato Problemi riscontrati: la reticolatura completamente automatica non consente un controllo delle dimensioni degli elementi (soltanto generale) e induce errori nella rappresentazione della geometria, omettendo delle parti quando non riesce ad effettura la reticolatura Convergenza estremamente lenta anche con particolari semplici 10

11 risultati 11

12 Variazione di temperatura nel modello 12

13 II Fase tentativo di simulazione del basamento completo Non è stato possibile introdurre i canali di colata ed eventuali raffreddatori. Non è stato possibile completare la simulazione perché soltanto il raffreddamento da 1500 C a 1167 C ha richiesto 36 ore di calcolo IL SOFTWARE NON E IN GRADO DI EFFETTUARE LA SIMULAZIONE 13

14 III FASE: semplificazione del modello Risultati ottenuti con un modello cad meno complesso Si è scelto di simulare in modo più preciso il raffreddamento di un solo cilindro, al fine di valutare la presenza di possibili difetti nel materiale dopo raffreddamento. 14

15 Visualizzazione possibili difetti di porosità 15

16 Conclusioni La simulazione del processo di riempimento del singolo cilindro garantisce che il metallo fuso riempirà completamente la forma nonostante gli esigui spessori presenti nel modello. Il valore della densità del materiale è superiore al 97% in tutta la geometria, valore che con un opportuna modifica del modello cad può ulteriormente essere aumentato. L estensione di questi risultati al basamento motore non è possibile dato che ha un altezza complessiva molto superiore a quella del cilindro singolo e dunque non si ha la certezza che il metallo fuso occupi tutte le cavità della forma. L unica simulazione effettuata sul basamento mette in luce i problemi legati all accumulo di calore negli appoggi delle bronzine di banco, che comportandosi da accumulatori di calore, provocano elevate differenze nelle velocità di raffreddamento del grezzo fuso. 16