STUDIO DI FATTIBILITA DI UN GRUPPO TURBOCOMPRESSORE AD ALTISSIMO RAPPORTO DI COMPRESSIONE PER UN MOTORE DIESEL AERONAUTICO

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1 STUDIO DI FATTIBILITA DI UN GRUPPO TURBOCOMPRESSORE AD ALTISSIMO RAPPORTO DI COMPRESSIONE PER UN MOTORE DIESEL AERONAUTICO Tesi di laurea di Luca Lanzarini

2 Il nostro studio si inserisce in un progetto generale di trasformazione di un motore Diesel terrestre in un motore Diesel aeronautico.tale progetto intende raggiungere i seguenti risultati: Aumento del rapporto potenza/peso. Aumento dell affidabilità del motore per raggiungere gli standard richiesti. Ridimensionamento degli scambiatori di calore Aumento della quota di ripristino

3 Il motore oggetto del progetto è il FIAT 1,9 JTD già modificato nella meccanica, montato sul banco di spinta a Forlì. La potenza è stata portata da 105 a 165 cv(wastegate, turbo, pistoni, iniettori). E stato aggiunto un riduttore per l elica. E stata ridisegnata la coppa.

4 Caratteristiche tecniche del motore FIAT 1,9 JTD modificato per utilizzo aereo: Numero di cilindri: 4 in linea Diametro per corsa (mm): 82 x 90.4 Cilindrata (cm3): 1910 Rapporto di compressione 18,45: 1 Potenza max: 160 CV = 117,76 KW Rpm max: 3800 = 397,94 rad/s Coppia max = 296 Nm Trasmissione della distribuzione: cinghia dentata Alimentazione ad iniezione diretta Turbosovralimentazione ad interrefrigerazione Sovralimentazione a terra =3

5 Quota di ripristino Nei motori aeronautici si compensa la diminuzione della densità dell aria in quota, e quindi della potenza, utilizzando una sovralimentazione detta sovralimentazione di ripristino La quota massima a cui l aereo può spingersi senza perdite di potenza viene chiamata quota di ripristino. Nei motori Diesel il raggiungimento di quote di ripristino accettabili è critico, in quanto è presente una sovralimentazione decisamente spinta anche a terra.

6 Questa tesi si propone di individuare una soluzione tecnica che consenta di incrementare la quota di ripristino del motore La soluzione più efficace a questo problema è sembrata quella di progettare un turbocompressore appositamente realizzato per lo scopo. Si è stabilito di progettare un gruppo turbocompressore con =8. Tale valore, elevatissimo, è stato scelto perché ritenuto dalla letteratura specializzata, da noi consultata, come valore limite per le attuali tecnologie. Si è calcolato che con =8 il motore potrebbe raggiungere una quota di ripristino di poco superiore ai feet (oltre 7000m).

7 L elemento critico nella progettazione del gruppo turbocompressore è stato individuato nel compressore Si è eseguita una specifica progettazione solo per il compressore centrifugo Per quanto riguarda turbina, intercooler, organi di regolazione e sicurezza si è deciso di effettuare una scelta (successiva alla costruzione del prototipo) dall offerta commerciale che è sembrata sufficientemente ampia da rispondere alle nostre esigenze.

8 Linee guida nella progettazione del compressore Rapporto di compressione =8. Intenzione di realizzare un prototipo sperimentale. Scelta della forma più semplice ed economica possibile per i vari elementi del compressore.

9 Diagramma di flusso della progettazione Acquisizione informazioni -Dati forniti dal costruttore del motore -Letteratura specializzata -Produzione commerciale Definizione specifiche di progetto ß=8. Portata in massa 500 Kg/h Suddivisione del compressore nelle parti che lo compongono -GIRANTE -DIFFUSORE -VOLUTA Scelta di un approccio progettuale Progettazione delle varie parti che compongono il compressore

10 Scelta approccio progettuale Per lo studio fluidodinamico del compressore si è scelto il semplice approccio monodimensionale Per il calcolo della resistenza meccanica della girante si è scelto il metodo dei dischi rotanti con successiva verifica agli elementi finiti. Procedure di calcolo sono state implementate in un foglio di calcolo EXCEL. Si è integrata la progettazione di alcuni componenti utilizzando specifici software quali FLUENT e ANSYS.

11 Progetto della girante Nel progetto della girante si è imposto a priori di realizzare pale con andamento perfettamente radiale per poter incrementare, per quanto possibile, la velocità di rotazione La progettazione è stata eseguita con un approccio monodimensionale, tenendo conto della deviazione del flusso(slip) e della separazione della vena(zone wake e jet) con opportuni coefficienti sperimentali reperiti in letteratura.

12 Progetto della girante I calcoli fluidodinamici effettuati hanno portato a ritenere ideale la seguente soluzione: 1. Numero di pale Diametro della girante 70 mm. 3. Spessore pale 0,5 mm. 4. Velocità di rotazione rpm. 5. Diametro condotto di aspirazione 41 mm.

13 Progetto della girante Si sono valutate due possibili soluzioni costruttive per la girante: 1. Girante in alluminio ricavata dal pieno alla macchina utensile 2. Girante in acciaio inossidabile saldato

14 Progetto girante Per la soluzione in acciaio saldato non si è conformato il canale meridiano, privilegiando la semplicità costruttiva a scapito del rendimento fluidodinamico. Si è effettuata la verifica utilizzando il metodo dei dischi rotanti. Si è conformato il bordo esterno della pala come solido di uniforme resistenza alla trazione generata dalla forza centrifuga. Il calcolo eseguito ha portato ad un valore della tensione di confronto = 428 N/mm2.

15 Progetto della girante Per la soluzione in alluminio ricavata dal pieno alla macchina utensile, si è conformato il canale meridiano in modo semplice, ma di buona efficienza fluidodinamica. Si è disegnato il modello tridimensionale con il software Solid Edge al fine di poter realizzare la lavorazione alla macchina utensile a controllo numerico.

16 Progetto della girante Per valutare la resistenza meccanica della girante in alluminio ricavata dal pieno si è utilizzato un software di calcolo agli elementi finiti (ANSYS) Il software ha permesso di importare la geometria definita in Solid Edge. Si è analizzata una sola pala, privata dell inducer.

17 Mesh del problema

18 Risultato analisi (tensione di confronto secondo Von Mises)

19 Progetto del diffusore E stato scelto un diffusore non palettato che garantisce semplicità costruttiva, aumenta fascia di utilizzo del compressore, qualità tali da compensare la bassa efficienza e le dimensioni ragguardevoli. Il calcolo di progetto ha portato ad un diffusore di diametro esterno pari a 126 mm ed uno spessore costante di 2 mm.

20 Studio del diffusore con Fluent I risultati del calcolo del diffusore ci sono sembrati troppo incoraggianti dunque si è scelto di simularne il funzionamento con un apposito software di fluidodinamica numerica CFD. Si è utilizzato FLUENT. La simulazione numerica eseguita con FLUENT ci ha permesso di correggere i risultati ottenuti.il diffusore progettato si è dimostrato un pò meno performante.

21 Studio della voluta Per la forma della voluta ci si è ispirati al compressore attualmente montato sul motore Il calcolo fluidodinamico è stato effettuato in due fasi: 1. Calcolo di primo dimensionamento ipotizzando il fluido non viscoso. 2. Correzione dei risultati ottenuti per tener conto della viscosità Tutto il calcolo è stato impostato supponendo il fluido incomprimibile

22 Rendimento del compressore In sede di progetto si è assunto = 0,58 come rendimento isoentropico del compressore. Ad un calcolo di verifica, tale rendimento è apparso leggermente sovrastimato. Si prevede che il reale rendimento del compressore, ricavato in sede sperimentale, sarà minore di quello calcolato. Si è stimato che, visto l elevatissimo rapporto di compressione, il nostro compressore si dimostri, comunque, una proposta valida anche con rendimenti prossimi al 50 %.

23 Conclusioni Il sistema di sovralimentazione da noi progettato sembra decisamente promettente. La progettazione è stata facilitata dalla particolarità dell applicazione.la progettazione di un turbocompressore specifico per applicazione aeronautica consente di ottenere e ritenere validi risultati irraggiungibili per l offerta commerciale, che è impostata su caratteristiche di funzionamento tipiche dell utilizzo del motore per l autotrasporto. Durante svariati passi della progettazione, si è evidenziata l estrema importanza di eseguire prove sperimentali su un prototipo.