Tesi di Laurea di Muccioli Matteo

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1 Tesi di Laurea di Muccioli Matteo

2 Questo lavoro è inserito nel progetto di trasformazione di un motore Diesel per utilizzo terrestre, in un motore Diesel per utilizzo aeronautico, focalizzando l attenzione sull aumento della quota di ristabilimento Per quota di ristabilimento, si intende la quota massima a cui l aereo può spingersi, senza perdite di potenza Si assume, come dato di partenza, il risultato del progetto del compressore ad altissimo rapporto di compressione che consente di incrementare la quota di ristabilimento del motore

3 Caratteristiche del compressore Portata in massa di aria nel compressore: 500 kg/h Rendimento del compressore: = 50% Velocità di rotazione: n max = rpm Rapporto di compressione massimo: =8 Quota di ristabilimento ottenibile = 7315 m Numero di pale 18 Diametro della girante 70 mm Diametro condotto di aspirazione 41 mm Spessore pale 0,5 mm

4 Gli obbiettivi generali della Tesi sono: Ottimizzazione della girante del compressore al fine di una realizzazione alla macchina a controllo numerico Definizione del ciclo di lavorazione e realizzazione del prototipo nel laboratorio di Forlì Progetto e definizione della tipologia di accoppiamento con l albero Analisi delle problematiche relative al bilanciamento del rotore

5 Finalità dell ottimizzazione della girante Riduzione del peso Riduzione del momento di inerzia Facilitazione della lavorazione alla macchina a controllo numerico

6 Metodologie per l ottimizzazione del design della girante Riduzione del numero degli Inducer Aumento dello spessore delle pale Adattamento del fondo della girante Adattamento dei raccordi alla lavorazione con fresa da 3 mm Definizione della tipologia di accoppiamento con l albero Predisposizione di scavi ad arco di cerchio per alleggerimento

7 Definizione del ciclo di lavorazione Il percorso utensile è stato realizzato, utilizzando il software CAM Cimatron, su un settore di 40 della girante La lavorazione è stata impostata per una fresa a candela da 3 mm, con i parametri adeguati alla lavorazione dell alluminio E stato definito il codice compatibile con la macchina a controllo numerico presente nel laboratorio di Forlì (linguaggio ISO FIDIA C1)

8 Produzione della girante Partendo da un grezzo in alluminio, è stato realizzato un semilavorato, utilizzando un tornio a controllo numerico E stato realizzato un foro per il centraggio, filettato nella parte terminale Si è realizzato un codolo, per lo staffaggio del semilavorato, filettato nella parte terminale La lavorazione delle pale è stata impostata alla macchina a controllo numerico E stato spianato e definito il piatto della girante

9 Produzione della girante La filettatura della girante e del codolo di staffaggio, hanno un andamento sinistro. Questo è dovuto al fatto che, poiché la girante ruota in senso orario, se il filetto fosse destro (cioè si avvitasse in senso orario) la resistenza che l aria offre alla rotazione della girante, determinerebbe sulla stessa, un momento che tenderebbe a farla svitare dall albero. Con questa soluzione, invece, tale momento contribuisce a mantenere saldo il serraggio albero-girante.

10 Alcune fasi della lavorazione

11 Produzione della girante In sede di studio di realizzazione del ciclo di lavorazione, finalizzato alla realizzazione su macchina utensile della girante, è stato necessario apportare alcune modifiche alla geometria ed alla struttura della girante, in particolare: E stato dimezzato il numero degli inducer E stato aumentato lo spessore delle palette E stata alleggerita la girante E stato ridefinito il piatto della girante Andiamo ora ad analizzare queste soluzioni

12 Dimezzamento del numero degli inducer L idea di eliminare la parte della pala relativa all inducer, in modo alternato sulla girante, è il risultato di un analisi pratica delle giranti già esistenti in commercio, unita all esperienza di operatori del settore. Si è giunti alla conclusione, anche se piuttosto empirica a causa della difficoltà di avere accesso a studi più approfonditi delle pale, da parte delle ditte specializzate, che questa soluzione porta un notevole vantaggio in termini di riduzione dell ingombro palare nella sezione di ingresso dell aria. Tutto questo, senza pregiudicare una buona deviazione del flusso da parte degli inducer rimanenti

13 Aumento dello spessore delle palette Questo accorgimento è stato obbligato dalle condizioni di lavoro alle macchine utensili in cui ci troviamo. Lo spessore delle pale, nel progetto, era definito come Sp= 0,5 mm; l utilizzo di una fresa, per la lavorazione delle stesse, determina il rischio, lavorando con spessori così sottili, di avere inflessioni delle pale durante la lavorazione, con conseguenti imprecisioni geometriche e rischio di rotture.

14 Aumento dello spessore delle palette Andiamo ad analizzare che effetti determina l aumento di spessore delle pale nelle sezioni di ingresso ed uscita del flusso. Coefficiente di ostruzione palare: = A p A pid = 1 Z S p 2 r sen ' Apid= area di passaggio del fluido ideale (senza pale) Ap= area di passaggio del fluido reale Sp= spessore pala

15 Aumento dello spessore delle palette L analisi degli effetti di un incremento di spessore della pala sulla sezione d uscita è stata fatta ragionando in questo modo: fisso un coefficiente di ostruzione palare inferiore a quello di progetto, comunque accettabile. calcolo il diametro della sezione d uscita verificando che non si scosti di molto da quello di progetto. Calcolo il valore dello spessore corrispondente alla fissata. Si è fatta così la scelta di realizzare pale con spessore = 1,0 mm l aumento dello spessore delle pale, non può che andare a favore di sicurezza.

16 Alleggerimento della girante Considerando il diametro, decisamente elevato della girante (70 mm) e l alta velocità di rotazione che ne contraddistingue il funzionamento, abbiamo deciso, per diminuire il peso ed il momento d inerzia, di andare a modificare la circonferenza esterna, andandola a tagliare con archi di cerchio aventi le seguenti caratteristiche: Centro CT dell arco di cerchio, appartenente alla bisettrice dell angolo tra due pale consecutive Raggio dell arco di cerchio R= 10 mm Massima interferenza tra la circonferenza esterna della girante e l arco di cerchio, di 2 mm Questa soluzione è molto usata a livello industriale per giranti di grosso diametro.

17 Definizione della zona inferiore del piatto della girante In seguito all analisi delle soluzioni attuali, abbiamo rilevato come la quasi totalità delle giranti dei compressori, siano realizzate con uno spessore crescente nella parte inferiore del disco di supporto, dalla periferia verso il centro, fino al piano circolare di appoggio per il supporto delle spinte assiali. Avendo la necessità di limitare il peso della girante, da un lato, e di realizzare una soluzione facilmente lavorabile, dall altro, abbiamo deciso di sagomare il disco con uno spessore costante. Per migliorare l ingresso dell aria, abbiamo sagomato il codolo, fornendogli una certa conicità.

18 Equilibratura della girante A causa della non disponibilità di un equilibratore dinamico, abbiamo analizzato questo fondamentale aspetto della progettazione e realizzazione, solo a livello teorico. Analizziamo le principali cause che influiscono sullo squilibrio: Imperfezioni nella realizzazione alla macchina utensile del pezzo, in particolare per quanto riguarda le pale e la spaziatura interpalare; Non perfetta omogeneità dei materiali utilizzati nella realizzazione dei pezzi; Difetti nella realizzazione del foro filettato centrale.

19 Equilibratura della girante L elevatissima velocità di rotazione dell albero presuppone, pertanto, un adeguata equilibratura, mediante la sottrazione di parti di materiale dalla zona inferiore dei piatti delle giranti, che vengono assunti come piani di equilibratura, prestando molta attenzione all alterazione della resistenza della struttura stessa; vediamo un esempio di equilibratura degli elementi di un turbocompressore. SOTTRAZIONE MATERIALE PER BILANCIAMENTO

20 Conclusioni La realizzazione della girante del compressore ha richiesto notevoli semplificazioni nella geometria della stessa. Il risultato sperimentale è di buona qualità; si ritiene che il compressore necessiti di un azione di sabbiatura onde migliorare la finitura superficiale. L altissima velocità di rotazione del rotore pone in primo piano il problema del bilanciamento che andrà eseguito con molta accuratezza. Ai fini di un miglioramento del flusso d aria in aspirazione, potrebbe essere interessante l applicazione di un profilo, opportunamente sagomato (Ogiva) direttamente sul codolo filettato.