Ottimizzazione di una turbina idraulica per usi automobilistici

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1 Università degli studi di Bologna Facoltà di Ingegneria Ottimizzazione di una turbina idraulica per usi automobilistici Candidato Luca Lolli Relatore Prof. Ing.. Luca Piancastelli

2 Definizione del problema Le vetture Ferrari da granturismo dotate di cambio manuale automatizzato, in seguito alla variazione di marcia, presentano una sensibile mancanza di coppia che pregiudica il comfort di guida ad un andatura tranquilla

3 Condizione ricercata Un comportamento dell autovettura in accelerazione il meno irregolare possibile tale da garantire una guida più gradevole

4 Soluzione adottata Fornire la coppia necessaria tramite l intervento di una turbina idraulica tipo Pelton calettata sull albero secondario del cambio.

5 Geometria e prestazioni Dati caratteristiche Potenza richiesta N 360 C 1 [m/s] 246 Pressione p [bar] 300 Portata Q [m 3 /s] Diametro D [m] 0.25 Diametro getto d N getti 6 dm/dt [kg/s] Densità fluido [kg/m 3 ] 930 Inerzia [kgm 4 ] Densità acciaio [kg/m 3 ] 7800 Omega [rad/s] d = 1mm m = 13.2mm n = 11.2mm q = 3.3mm D 100mm numero pale =

6 Turbina originale Geometria identica a quella del sistema reale (massimo rendimento) Costruzione in alluminio Sezione frontale sovradimensionata che implica perdite per ventilazione eccessive Bilanciamento in rotazione carente dovuto al sistema di fissaggio delle palette sul disco

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8 Analisi delle perdite di carico per ventilazione P v = K v u 3 ( 1 ε ) v D h Possibilità di ridurre tali perdite agendo su K v (caratteristica geometrica delle palette) attraverso una riduzione della sezione frontale totale S in rispetto della legge generale sulla resistenza aerodinamica dei corpi R = ρsv 2 c r

9 Evoluzione della turbina Medesima forma interna dei cucchiai (rispetto del massimo rendimento) Involucro esterno completamente ridisegnato (riduzione della sezione di impatto) Attacco profilato secondo NACA 0025 (< R a, > R m ) Accoppiamento al disco per attrito (interferenza) Costruzione in acciaio inox (migliore finitura superficiale)

10 Progettazione assistita Modellazione di superfici e successiva generazione dei percorsi utensile ottenute utilizzando il pacchetto CAD/CAM Cimatron Calcoli strutturali e tecnologici sviluppati con fogli elettronici in Excel Adattamento del postprocessor (programma di traduzione CAM/CNC) e acquisizione dati prove sperimentali attraverso il sw LabView m [cm^3/kw*min] y = -4E-06x 3 + 0,0028x 2-0,7783x + 94, HB [N/mm^2] Acciai al C Acciai al S Acciai legati Poli. (Acciai al C)

11 Realizzazione del prototipo Lavorazioni di fresatura svolte presso i laboratori dell università sul centro di lavoro Cortini HS644P Lavorazioni di tornitura del disco svolte presso i laboratori del CNOS-FAP di Forlì

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14 Cortini HS644P Precisione pari a 0.01 mm Velocità fino a 30 m/min Struttura a banco fisso (torretta mobile) Disponibilità del quarto asse Guide degli assi lineari con guide a rotolamento Controllo vettoriale Lubrificazione minimale Magazzino porta-utensili

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16 Costruzione delle palette Bloccaggio grezzo Cambio utensile Sgrossatura Finitura Taglio Controllo

17 Costruzione del disco Tornitura Bloccaggio grezzo Sgrossatura 1 finitura Taglio 2 finitura

18 Costruzione del disco Azzeramento degli assi

19 Costruzione del disco Fresatura delle cave

20 Assemblaggio della turbina Bloccaggio delle palette sul disco tramite pressa idraulica

21 Analisi economica Calcolo del costo unitario per paletta attraverso il tempo impiegato per ogni fase della lavorazione e l assorbimento energetico connesso. Pa [kw] n' [g/min] p ass z [ kwh] P ( ) 0 ti + Pi n ti = z i= 1 i= 1

22 Prova sperimentale 1. Misura della rampa di discesa del sistema con e senza turbina 2. Derivazione numerica della velocità angolare ϖ ϖ i 1 ϖ i t + = 3. Calcolo della coppia resistente nei vari casi C r = Iϖ

23 Coppia resistente Crt [Nm] 0,140 0,120 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020 0, [rpm] Solo albero Turbina alluminio Turbina acciaio

24 Potenza dissipata per ventilazione Pv [W] [rpm] Turbina in alluminio Turbina in acciaio

25 Verifica analitica di K V PV ν 4 D ϖ h [rpm] K = V 3 Kv (alluminio) Kv (acciaio)

26 Considerazioni finali La turbina in acciaio costruita si presta ad essere installata nel circuito di compensazione di coppia al posto di quella in alluminio. A parità di rendimento idraulico la potenza dissipata per ventilazione diminuisce in media del 65,9%. La realizzazione in acciaio inox garantisce resistenza alla corrosione e all usura. L ingombro esterno della girante diminuisce. Lo squilibrio in rotazione indotto da masse eccentriche è eliminato.

27 Fine Grazie a tutti coloro che hanno collaborato.

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31 60 50 m [cm^3/kw*min] y = -4E-06x 3 + 0,0028x 2-0,7783x + 94, HB [N/mm^2] Acciai al C Acciai al S Acciai legati Poli. (Acciai al C)

32 7 6 5 Pa [kw] n' [g/min]