STUDIO DI FATTIBILITA DI UN MOTORE DIESEL AEREONAUTICO DI PRESTAZIONI EQUIVALENTI ALLA TURBINA PT-6

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1 STUDIO DI FATTIBILITA DI UN MOTORE DIESEL AEREONAUTICO DI PRESTAZIONI EQUIVALENTI ALLA TURBINA PT-6 Tesi di laurea di Giuliani Marco Relatore: Prof. Ing. L. Piancastelli Università degli studi di Bologna-A.A.2004/ gennaio2006

2 Obbiettivi Studio di massima del motore diesel common rail avente i nuovi iniettori piezoceramici in grado di lavorare fino a rpm Dimensionamento dell assieme Pistone-spinotto spinotto-biella Verifica di resistenza delle parti con Ansys Workbench

3 Studio di massima Potenza massima1450 cv Supponiamo di poter conservare il ciclo dell indicatore del motore 1900 jtd avio avente le seguenti caratteristiche 1. Pmax = 160 bar 2. Pressione di aspirazione = 2.5 bar 3. Esponente della politropica di compressione n=1,33 4. Rapporto di compressione di r=15.5.5:1

4 Studio di massima Cilindrata nuovo motore 7000 cc Framentazione della cilindrata ed architettura 12 cilindri a V Velocità media del pistone (Cm) ) compatibile con una durata di 3000 h Cm 1900jtd a 3800 rpm = 11.4 m/s (vita dei segmenti circa 4500 h) Cm yamahar6 a rpm = 14 m/s (regime di coppia max); Cm yamahar6 a rpm = m/s (regime di potenza max); Scelgo invece una corsa di 49.2 mm con un Cm pari a 16.4 m/s Alesaggio = 123 mm Alesaggio/Corsa = 2.5 Per limitare le spinte laterali sul pistone scelgo la lunghezza della biella pari a 130 mm r/l =0,19

5 1 η*k i Studio di massima Valutazione del consumo Ki = kcal/kg η = 0,38 posso così determinare il consumo specifico q, il consumo orario Q del motore. q =1/ η Ki = 2, gr/kcal = 226 gr/kwh Q totale = q q P = 240 kg/h Q cilindro =240/12 =20 kg/h

6 Studio di massima Valutazione del combustibile da iniettare per scoppio per cilindro Vregime = rpm ne segue che ho c= detonazioni all ora r = 0,9 kg / dm 3 qc4 c4 = Qunit/c r = 74,3 mm 3 La quantità richiesta non è elevata, ed è ben al di sotto dei limiti tecnologici dei comuni iniettori oggi in commercio ( mm 3 ).

7 Dimensionamento pistone Rapporto di compressione r = 15.5:1 Vcamera combustione = Vcil unitaria/r = 3, mm 3 cil-unitaria Vcamera-unitaria =1, mm 3 Diametro Esterno Spinotto = 37.5 mm (per analogia dal 1900jtd) Modello costruito con Solid Edge

8 Analisi pistone Analisi strutturale: Analisi statica: pistone al P.M.S. sollecitato dalla pressione dei gas e dalla distribuzione di temperature analoga al 1900 jtd Importazione del modello in Ansys Workbench 9 Discretizzazione del componente Applicazione di carichi e vincoli Definizione di proprietà del materiale in funzione di temperatura e velocità di applicazione del carico. Assegnazione di tali proprietà a diverse aree del pistone Calcolo

9 Analisi pistone: risultati calcolo con Ansys Workbench Pistone non ricoperto Lega d alluminio d 390-T5 Carico: 160 bar in camera 140 bar sul cielo del pistone Accelerazione applicata a tutti i componenti per simulare la forza d inerziad Risultati: Il materiale non riesce a sopportare i carichi Si hanno molte zone in cui il C.S. è minore di uno

10 Risultati calcolo con Ansys Workbench Pistone ricoperto con acciaio 30 WCrV 179 dello spessore di 1mm: Il pistone risulta molto sollecitato soprattutto nella parte di accoppiamento con lo spinotto dove ho un fattore di sicurezza molto basso, ma superiore ad 1 Il punto debole del pistone è il materiale di cui è costituito (lega d alluminio 390-T5) perché anche se molto leggero, le caratteristiche scadono molto rapidamente con l aumentare della temperatura.

11 Analisi biella Disegno modello con Solid Edge Importazione del modello in Ansys Workbench 9 Discretizzazione del componente Applicazione di carichi e vincoli Carichi determinati con il foglio di Calcolo carico dell ing. Piccaglia

12 Analisi biella La tensioni massima è concentrata sul piede di biella. Le sollecitazioni sono abbondantemente al di sotto del limite di snervamento del materiale che è di 930 Mpa e come si può vedere anche il fattore di sicurezza è in generale elevato in quanto si tratta di un carico impulsivo

13 Analisi biella e spinotto

14 Conclusioni Dal punto di vista strutturale è possibile realizzare un motore diesel common rail da 1450 CV a rpm L idea di utilizzare come materiale per il pistone la lega d alluminio d 390-T5 è risultata molto soddisfacente per quanto concerne la riduzione dei d pesi, anche se si è dovuti ricorrere ad un ricoprimento d acciaio d ( 30 WCrV 179 ) dello spessore di 1 mm per poter sopportare le elevate sollecitazioni presenti in camera di combustione La doppia iniezione è molto vantaggiosa per due aspetti Sicurezza: gli iniettori lavorano indipendentemente e perciò se uno non funziona permette il rientro in condizioni di emergenza Riduzione del peso del pistone e quindi delle forze d inerzia d Riduzione delle sollecitazioni, motore più compatto e sicuro La biella non presenta particolari problemi strutturali. Si preferisce erisce ipotizzare una biella di lega di titanio per motivi di inerzia e peso

15 Discretizzazione pistone Elemento tetraedrico Dimensione elemento parti pistone: 3 mm Dimensione elemento rivestimento pistone: 1 mm Reticolo con nodi e elementi

16 Ambiente di analisi

17 Caratteristiche materiale A390-T5 Suddivisione del materiale in più zone a T costante incollate tra loro con vincoli di congruenza (spostamenti e rotazioni ai nodi) Serie1 Definizione delle caratteristiche in funzione della T ipotizzata su ogni zona. Andamento della T da verificare perché non conosciuta, ma ipotizzata basandosi su quella del pistone del 1900 jtd avio T emperat ura ( deg C )