STUDIO DI MASSIMA DELLA TURBINA PER UN GRUPPO DI SOVRALIMENTAZIONE AD ALTISSIMO RAPPORTO DI COMPRESSIONE. Tesi di Laurea di STEFANO LAMBERTINI

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1 STUDIO DI MASSIMA DELLA TURBINA PER UN GRUPPO DI SOVRALIMENTAZIONE AD ALTISSIMO RAPPORTO DI COMPRESSIONE Tesi di Laurea di STEFANO LAMBERTINI

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

3 Inquadramento del problema Il mio compito era reperire una turbina in grado di fornire la potenza necessaria al compressore, che è già progettato e realizzato con le seguenti specifiche: 1. Rapporto di compressione c = 8 2. Numero di giri = rpm 3. Diametro della girante = 70 mm 4. Potenza richiesta = 52 kw Le strade da seguire, alternative, erano due: 1. Valutazione delle offerte del mercato 2. Progettazione di una nuova turbina

4 Ricerca di mercato Valutando ciò che il mercato delle turbine offre ho visto che non è possibile trovare una turbina radiale di questa taglia che fornisca la potenza necessaria, perché il rapporto di espansione richiesto è troppo elevato.

5 Linee guida per la progettazione della turbina Intenzione di realizzare un prototipo per la sperimentazione. Scelta di forme semplici ed economiche. Si accettano compromessi sui rendimenti. Per questi motivi ho scartato le soluzioni delle turbine radiali e di quelle assiali a reazione, e mi sono indirizzato verso la progettazione di una turbina assiale ad azione.

6 Diagramma di flusso della progettazione Acquisizione dati motore e compressore Definizione specifiche di progetto Scelta dell approccio progettuale Determinazione salto entalpico e numero degli stadi Calcolo dei triangoli delle velocità nelle palettature Dimensionamento palettamenti rotorici e raddrizzatore Dimensionamento ugelli statorici Studio raffreddamento palettature Verifica della resistenza meccanica delle palettature rotoriche Valutazione delle sollecitazioni da azioni fluidodinamiche Valutazione delle sollecitazioni da forze centrifughe

7 Definizione delle specifiche di progetto Le condizioni che deve soddisfare la turbina sono due: 1. Parità di portata in massa, a meno del combustibile e dei trafilamenti, di turbina e compressore. 2. Erogazione della potenza richiesta per azionare il compressore e vincere le perdite (modeste)all albero del turbocompressore.

8 Scelta dell approccio progettuale Per lo studio fluidodinamico della turbina ho scelto il semplice approccio monodimensionale. Ho implementato i procedimenti analitici in un foglio di calcolo EXCEL. Ho integrato la progettazione di alcuni componenti usando opportuni software (Ansys).

9 Dimensionamento dei palettamenti Ho scelto di dimensionare prima la girante, viste le notevoli sollecitazioni cui è sottoposta, e a seguire gli ugelli statorici di distribuzione. Sono risultati necessari due stadi. I calcoli fluidodinamici effettuati mi hanno portato a ritenere ideale la seguente soluzione: 1. Numero di pale - prima palettatura rotorica = 8 - raddrizzatore statorico = 8 - seconda palettatura rotorica = Diametro massimo della girante = 58,1mm

10 Dimensionamento dei palettamenti Le palette verranno realizzate una per una e poi fissate, attraverso opportuni incastri, al rotore. Visto il ridotto spazio a disposizione nel mozzo, ho scelto il tipo di incastro a bulbo.

11 Studio della resistenza meccanica dei palettamenti rotorici Ho verificato la resistenza meccanica dei particolari più critici della turbina, ovvero i palettamenti rotorici. Ho eseguito le verifiche rispetto alle: 1. Sollecitazioni dovute alla forze centrifuga 2. Sollecitazioni dovute alle azioni fluidodinamiche Come era prevedibile, vista l elevatissima velocità di rotazione, le seconde sono trascurabili rispetto alle prime. Le sollecitazioni centrifughe vanno dunque studiate con attenzione.

12 Studio della resistenza meccanica dei palettamenti rotorici con ANSYS Data la criticità del particolare, per verificare i risultati ottenuti ho pensato di simulare la resistenza alle sollecitazioni centrifughe tramite il software di calcolo ANSYS che applica il metodo degli elementi finiti. La simulazione ha sostanzialmente confermato la correttezza dei risultati ottenuti, mostrando come la sezione della pala più sollecitata sia la base.

13 Materiali per le palettature rotoriche Ho valutato i materiali con caratteristiche resistenziali adeguate alle alte temperature disponibili sul mercato e lavorabili alle macchine utensili. La scelta ricade quasi obbligatoriamente sulle superleghe a base di Nichel. Ho scelto l Inconel 100, che ci assicura la resistenza meccanica desiderata alla temperatura di ingresso dei gas di scarico, con una densità leggermente inferiore a quella dell acciaio.

14 Raffreddamento della palettatura Le palettature rotoriche sono sottoposte a: -elevate sollecitazioni meccaniche -elevato carico termico Ho quindi previsto il raffreddamento delle palette, sottraendo calore dall interno delle stesse per convezione forzata, tramite canalizzazione con direzione radiale nelle quali fluisce aria refrigerante sottratta al compressore. La lavorazione dei canali lungo le pale verrà realizzata per elettroerosione.

15 Raffreddamento della palettatura I vantaggi di questa soluzione sono: 1. Alleggerimento delle palette e della turbina nel suo complesso 2. Riduzione delle notevoli forze centrifughe 3. Possibilità di avere una maggiora temperatura di ingresso dei gas Ho calcolato che per la nostra turbina tale temperatura è T max =840 C Per scegliere questo valore ho dovuto considerare due aspetti: 1. le caratteristiche resistenziali dei materiali 2. le dimensioni molto ridotte delle sezioni di passaggio dei gas nelle palettature Ho valutato la portata di fluido refrigerante, necessaria per mantenere una temperatura di parete della paletta compatibile con la resistenza meccanica, nell 1,2% di quella complessiva che attraversa il compressore.

16 Dimensionamento degli ugelli statorici Si è rivelata necessaria una distribuzione integrale, sull intera circonferenza,del fluido accelerato. La soluzione costruttiva migliore è quindi una palettatura statorica disposta a monte di quella rotorica. Attraverso un adeguato profilo delle palette, ho conferito al condotto l opportuno andamento convergente-divergente. I calcoli che ho eseguito mi hanno portato a decidere per 4 ugelli statorici.

17 Realizzazione della paletta rotorica Come esempio di prototipazione ho pensato di eseguire il particolare più complesso e delicato, una paletta rotorica. Ho realizzato il disegno con SOLID EDGE. Una volta definite le superfici da lavorare,ho realizzato il percorso utensile per la lavorazione della paletta implementandone il disegno col software CAM CIMATRON Questo software permette anche di simulare la lavorazione per verificare che i parametri fissati siano corretti.

18 Realizzazione della paletta rotorica Per finire ho realizzato concretamente in alluminio la paletta per verificare la correttezza del percorso utensile, rendendomi conto di come sia necessario realizzare molte passate con piccole profondità al fine di contenere le vibrazioni, principale problema di queste lavorazioni.

19 Conclusioni La progettazione di un turbocompressore specifico per applicazione aeronautica ha consentito di ottenere risultati non presenti nell offerta commerciale, che è impostata su caratteristiche di funzionamento tipiche dell utilizzo del motore per l autotrasporto. La progettazione della turbina appare promettente. Durante svariati passi della progettazione, si è evidenziata l estrema importanza di eseguire prove sperimentali su un prototipo.