Ingegnerizzazione inversa della testata di un motore Rolls Royce Merlin 63

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale Ingegnerizzazione inversa della testata di un motore Rolls Royce Merlin 63 Candidato: Andrea Burnelli Relatore: Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Chiar.mo Prof. Ing. Gianni Caligiana Chiar.mo Prof. Ing. Alfredo Liverani Dott. Ing. Daniele Marozzi Anno Accademico , 22 Giugno 2006

2 Obiettivo della tesi Modellazione tridimensionale al CAD partendo dall oggetto originale Verifica termica e meccanica del componente con gli elementi finiti

3 Motore Rolls Royce Merlin 63 versione Merlin cilindri a V di cm 3 di cilindrata peso 766 kg compressore centrifugo a due stadi potenza 1600 cv recuperato a San Marino, aereo precipitato nel 1943

4 Testata smontata e pulita Ingombri di massima: lunghezza 1076 mm, larghezza 220 mm, altezza massima 172 mm

5 testata sezionata condotti di scarico illuminati piano distribuzione condotti d aspirazione illuminati

6 Analisi metallografica fase alluminio primario eutettico alluminio - silicio Si % Fe % Cu % Mn % Mg % Cr % Pb % Sn % Ti % Ag % <0.001 B % Be % Ca % Na % P % < < Sb % Sr % Li % V % Zr % Cd % Co % Zn % Ni % Al % porosità nella fusione Si % Fe % Cu % Ni % Al % Si ringrazia l Istituto Aldini Valeriani di Bologna per le attrezzature messe a disposizione

7 Durezza rilevata 83 HRF ~ 46 HRB Valori notevolmente variabili Prove di durezza

8 Rilievi sulle filettature: Funzione vite: Designazione: Diam.esterno (pollici): Passo (n filetti/pollice): ghiera ferma boccola candela G3/4 x16 UNI 228/1 0,75 16 filetto candela Non unificato (55 ) 0, rilievo diametro esterno boccola candela filetto esterno inserto lato aspirazione interno inserto lato aspirazione esterno 11/16 x 20 BSF 0, /4 BSF 0, /16 BSF 0, ghiera fissaggio tubi olio G3/4 x16 UNI 228/1 0,75 16 rilievo passo contafiletti filetto sede valvola (20x) tappi acqua diametro esterno 33 mm prigionieri scarico prigionieri distribuzione lato testata prigionieri distr. lato coperchio valvole prigionieri fissaggio testata ai cilindri prigionieri coperchio valvole sede valvola aspirazione sede valvola scarico G3/4 x16 UNI 228/1 0, /16 BSF 0, /2 BSF 0,5 16 3/8 BSF 0, /2 BSF 0,5 16 1/4 BSF 0, /64 1, /32 1,90 20

9 Liquidi penetranti: 1) pulizia preliminare 2) applicazione del penetrante: 3) rimozione del penetrante in eccesso: 4) applicazione dello sviluppatore bianco 5) ispezione 6) esito individuata una cricca

10 Prove in forno La permanenza della lega ad alte temperature ne modifica le caratteristiche meccaniche. Attraverso prove in forno è possibile stabilire una correlazione tra durezza e temperature raggiunta dal materiale, noto il tempo di permanenza. Tipologia di prova: HRF penetratore: 1/16 carico: 60 kgf

11 Risultati dei rilievi rilievi di durezza sulla corrispondenza con le temperature camera di combustione I risultati non sono troppo attendibili a causa della rugosità della camera di combustione

12 Modellazione con Solid Edge

13 Modellazione con Solid Edge

14 Verifiche sul componente TERMICHE: Temperature in camera di combustione Temperature lato acqua Temperature olio Punti caldi d innesco detonazione Problemi di ebollizione Degrado dei fluidi Scadimento proprietà materiale MECCANICHE: Tensioni Deformazioni Interazione con i componenti Rotture a fatica Funzionamento scorretto Perdite di fluidi Ora si visualizzeranno i carichi termici e le zone di scambio

15 Carichi termici Contatto candela Combustione Contatto valvola d aspirazione Contatto valvola di scarico Olio Condotto d aspirazione Condotto di scarico Refrigerante

16 Modello monodimensionale di scambio termico in camera di combustione MASSIMA POTENZA: rpm - carico 100% Pressione = P(α) Temperatura = T(α) hgas, med = hgas ( α) dα T = h α T α dα ( ) ( ) gas, med gas gas 720 hgas, med 0 = 679 W/m² K = 1052 C

17 Sedi e guide valvola Bilancio dei flussi termici Grandezze mediate nel tempo, variabili nello spazio Scambio valvola chiusa-aperta, funzione della p. di contatto [Garro]

18 Condotti di aspirazione e di scarico Temperatura = T(α) Portata = Q(α) Nu ν 0,8 0,33 g = 0,027 Re Pr ν p (Sieder & Tate) h [W/m²K] T [ C] Aspirazione Scarico

19 Refrigerante Elevati flussi di calore Convezione Forzata Ebollizione Nucleata Flusso Critico Fattori che condizionano lo scambio: Temperatura di parete Meno importanti: Proprietà del fluido o Velocità Finitura superficiale o Diametro idraulico Depositi Confronto Modelli: Chen Mc. Adams Thom & Al. Forster & Zuber Rosenow

20 Modello elementi finiti ΛNSYS Workbench NODI ELEMENTI Comportamento non - materiali in funzione della temperatura lineare dei: - contatti tra sedi, guide e testa - scambi termici del refrigerante Step di carico: 1) assemblaggio 2) assemblaggio + termico 3) assemblaggio + termico + pressione in camera

21 Risultati verifica termica 1) CAMPO DELLE TEMPERATURE modello: rilievi NACA: 242,03 C 242 C 287,62 C 288 C 253,58 C 252 C 2) POTENZA ASPORTATA DAL REFRIGERANTE modello: 300 kw rilievi NACA: 399 kw

22 Risultati Tensione equivalente Step 1 Step 2 Step 3 Le sollecitazioni maggiori si hanno all assemblaggio. Lo stato più pericoloso è al terzo stadio di carico (assemblaggio + carico termico + pressione in camera), il materiale è in temperatura.

23 Risultati Tensione equivalente Step 1 Step 2 Step 3 Sollecitazioni maggiori al secondo stadio di carico, a causa delle dilatazioni termiche. Al terzo step la pressione di contatto delle valvole migliora lo stato tensionale. Sedi al limite di sicurezza. Guide poco sollecitate.

24 Conclusioni Il campo di temperature previsto è al limite di sicurezza. I carichi più rilevanti per la testata sono quelli di origine termica e meccanica. La lega d alluminio è piuttosto porosa, da rivedere il tipo di lega e il processo fusorio. Alcuni passaggi liquido andrebbero modificati per incrementare lo scambio termico.