OTTIMIZZAZIONE DI UN CASTELLO MOTORE PER UN VELIVOLO SPERIMENTALE

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1 OTTIMIZZAZIONE DI UN CASTELLO MOTORE PER UN VELIVOLO SPERIMENTALE DIMENSIONAMENTO E POSIZIONAMENTO DEGLI SCAMBIATORI DI CALORE Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Franco Persiani Prof. Ing. Davide Moro Ing. Roberto Borsari Tesi di Massimo Montanari

2 MOTORE FIAT 1.9 JTD Cilindrata: 1910cc Potenza: 165 CV 4 cilindri in linea Rapporto di compressione: 15:1 Numero di giri alla velocità di crociera: 3800 rpm / elica 2500 rpm Peso: 165 kg

3 Ce s s n a s k y ma s t e r p u s h p u l l Peso a pieno carico: 1900 kg Peso a vuoto: 1150 kg Velocità di stallo: 101 km/h Apertura alare: m Superficie alare: m 2 Lunghezza: 9.07 m Altezza: 2.79 m Motorizzazione originaria: 2 motori Continental Roll Royce da 210 CV

4 LINEE GUIDA NELLA PROGETTAZIONE DEL CASTELLO MOTORE Robustezza della struttura e certificazione JAR Leggerezza Sicurezza Prestazioni Sicurezza Ingombri contenuti Layout generale

5 Prima possibilità costruttiva: Traliccio in acciaio saldato

6 II possibilità costruttiva: Castello monolitico in alluminio

7 Terza possibilità costruttiva: Afferraggio a sbalzo con anello

8 La scelta cade su questa terza possibilità perché: I minori ingombri laterali permettono una più facile disposizione degli accessori del motore. Baricentro della struttura più vicino al parafiamma. Trattandosi di un prototipo, è più economico e versatile del castello monolitico in alluminio.

9 Per una buona sospensione è necessario che gli elementi elastici siano disposti su superfici sferiche con centro nel vertice del cono di oscillazione coincidente con il baricentro: tali sospensioni si chiamano DINAFOCALI

10 Forze agenti sulla struttura (normativa JAR) Il peso del motore, del castello e di tutti gli organi che gravano sul castello. La spinta dell elica, diretta come l asse di rotazione dell elica. La coppia di reazione, presente nei propulsori ad elica, uguale ed opposta alla coppia motrice. La coppia giroscopica, che si manifesta ogni qualvolta l aereo, dotato di propulsore con organi di notevole momento di inerzia ruotanti in un solo senso ad alta velocità, descrive una traiettoria curva.

11 Scelta del materiale I materiali impiegati per la costruzione dei castelli motore per velivoli con propulsore alternativo sono solitamente: Acciaio AISI 4130 Lega leggera di alluminio 2024 Trattandosi di un prototipo, per ragioni di sicurezza, di costi e di affidabilità si è preferito utilizzare integralmente in questo progetto l acciaio AISI 4130 che corrisponde al 30 CrMo4 Dal catalogo Dalmine, che produce tubi in acciaio trafilati a freddo, risulta: s = 415 MPa Coefficiente di sicurezza k = 1,5 secondo le norme JAR. Risulta pertanto amm = 276 MPa

12 Utilizzo di Ansys 6.1 per l analisi della struttura agli elementi finiti. Discretizzazione mediante elementi BEAM 4 elastic 3-D Schematizzazione degli attacchi al parafiamma come incastri Forze applicate nel baricentro, tranne la spinta dell elica che è applicata in un punto dell asse dell elica stessa.

13 L ottimizzazione progressiva della struttura operata mediante successive analisi agli elementi finiti ha portato ad una nuova architettura del castello motore

14 Risultati dell analisi della struttura con disposizione dei carichi alla picchiata

15 Risultati dell analisi della struttura con disposizione dei carichi alla virata

16 Verifiche eseguite dopo l analisi agli elementi finiti Verifica alla presso-flessione Verifica bulloni del parafiamma Verifica tranciamento delle due piastre di collegamento castello-basamento Verifica strappo delle due piastre di collegamento castello-basamento Verifica pressione di contatto testa viti-piastre

17 Smorzatori scelti: Lord J-9612 certificati dalla Cessna per vari altri suoi aeroplani/motori Costante elastica: 800 N/mm

18 Risultati analisi modale L algoritmo di calcolo ha fornito come prime frequenze proprie : f 1 = 5 Hz f 2 = 5.5 Hz f 3 = 12 Hz Che corrispondono ai modi di vibrare caratteristici degli smorzatori, e che risultano inferiori alla più piccola frequenza eccitatrice del motore pari a 16,6 Hz

19 Dimensionamento del radiatore Consideriamo scambiatori in alluminio del tipo ad alette ondulate, con fattore di compattezza di 1000 m -1 Potenza termica da disperdere: 80 kw t max del liquido: 358K t aria esterna: 309K Velocità dell aria: 50 nodi Spessore del pacco radiante: 120 mm Coefficiente globale di scambio termico h t = 145 W/m 2 K T m = T Q r = T h t a T A Superficie frontale radiatore: 0,072 m 2 a r T + T 2 m a

20 Dimensionamento inter-refrigeratore La scelta è caduta su un Interrefrigeratore in alluminio del tipo ad alette ondulate, con fattore di compattezza di 750 m -1 Tali scambiatori sono stati dimensionati partendo dalla potenza termica da smaltire, che è stata calcolata in base alla portata d aria, al rapporto di compressione ß e al rendimento del compressore, e allo spessore scelto del pacco di 60 mm: Q& = mc & p T T T = A p p c a k 1 k 1 1 ηc Superficie frontale: 0,046 m 2

21 Prima disposizione degli scambiatori: sotto al motore Foto post 337 Modello bagassi post 337 Pone in problema della costruzione di una carena ventrale in cui alloggiarli. Difficoltà di trovare un ancoraggio al castello motore sufficientemente rigido e leggero. Condotti di entrata e uscita dell aria troppo corti. Turba in maniera rilevante il profilo aerodinamico. Presa d aria troppo vicina al terreno

22 Seconda disposizione degli scambiatori: sopra al motore Foto post 337 Modello bagassi post 337 La velocità dell aria piuttosto limitata obbliga all aumento delle dimensioni degli scambiatori che, soprattutto nel caso del radiatore, raggiungono superficie considerevoli (0.146 m 2 ) Difficoltà di posizionamento dei ventilatori ausiliari Baricentro spostato in alto pregiudizievole per la stabilità

23 Terza e definitiva disposizione degli scambiatori: ai lati del motore Meno dannoso per il profilo aerodinamico del velivolo. Non è molto efficiente a bassissime velocità. Ancoraggio al gruppo castello-motore più semplice e leggero.

24 Modifica della piastra anteriore di ancoraggio del riduttore al motore per agganciare gli scambiatori

25 Scambiatori ad arco di corona circolare Sfruttano meglio gli spazi all interno della carlinga, rimanendo così più lontani dal motore.

26 Raffreddamento forzato degli scambiatori Per risolvere il problema dell eccessivo riscaldamento del motore quando il velivolo è fermo in fase di rullaggio, o si muove a bassissima velocità, si è pensato di montare alcune ventoline sulla faccia posteriore degli scambiatori (4 sul radiatore e tre sull intercooler) che, entrando in funzione quando la temperatura del fluido supera un determinato livello, assicurerebbero comunque un flusso d aria di raffreddamento attraverso gli scambiatori. Ventoline alimentate a 12 V dalla batteria Portate da 170m 3 /h a 700m 3 /h al calare della corrente Montate sul motore Ducati 749 da 100 CV Peso: 0,8 kg ciascuna

27 Utilizzo di flabelli regolabili L utilizzo di due flabelli in corrispondenza delle aperture laterali della fusoliera, e con comando regolabile dal pilota, permette un ulteriore parzializzazione del flusso d aria in entrata negli scambiatori, che si aggiunge a quella già operata dalle ventoline. I flabelli sono incernierati sul lato opposto rispetto al posizionamento originale del Cessna 337.

28 Conclusioni Con l attuale architettura del castello motore si sono rispettati i vincoli di resistenza e di ingombri contenuti, ma il peso, che si aggira intorno ai 13 kg, suggerisce di intervenire ulteriormente: 1. Utilizzando parti in alluminio, laddove le prioritarie esigenze di resistenza lo permetteranno 2. Valutando la possibilità di intervenire direttamente sulla paratia parafiamma, avvicinando gli attacchi al centro Visto le frequenze proprie molto basse ottenute, valutare se adottare smorzatori con rigidezza maggiore, una volta modificato il castello. Ottimi risultati in termini di ingombro, di semplicità e di peso hanno dato gli scambiatori di calore con sezione ad arco di corona circolare. Possibili interventi: 1. Ottimizzare sperimentalmente il numero dei ventilatori 2. Ridurre eventualmente la superficie degli scambiatori 3. Scaricare l aria uscente dagli scambiatori attraverso apposite aperture praticate nella parte posteriore della carlinga