Analisi e dimensionamento di un motore otto cilindri Boxer per propulsione aeronautica con eliche controrotanti

Transcript

1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA II Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica sede di Forlì Elaborato di laurea in Disegno tecnico industriale Analisi e dimensionamento di un motore otto cilindri Boxer per propulsione aeronautica con eliche controrotanti CANDIDATO Francesco Pizzarello RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli Anno Accademico 2006/2007 Sessione I Forli 25/07/2007

2 Realizzare una soluzione che permetta la sostituzione di un motore Lycoming 6 cilindri boxer presente attualmente sull aereo della Alenia Aermacchi senza effettuare rilevanti modifiche alla carenatura già esistente Sostituzione con un nuovo motore 8 cilindri boxer di nuova generazione, caratterizzato da peso notevolmente inferiore e da una maggior potenza disponibile 2

3 Motore LYCOMING E4E5 Caratteristiche tecniche: 6 cilindri contrapposti BOXER Potenza : 260 hp Massa a secco: 180 kg Ingombri: Altezza : 620 mm Larghezza : 848 mm Lunghezza : 946 mm 3

4 NUOVO MOTORE IN FASE DI PROGETTAZIONE Caratteristiche tecniche: 8 cilindri contrapposti BOXER Ciindrata : 2000 cm3 Regime di rotazione: rpm Potenza: 216 Kw Cavalli: 293 cv Massa a secco (ipotizzato): 100 kg Ingombri: non ancora totalmente definiti 4

5 IDEARE REALIZZARE OTTIMIZZARE UN RIDUTTORE AD INGRANAGGI CAPACE DI MOVIMENTARE DUE ELICHE CONTROROTANTI ALLA VELOCITA DI 2800 rpm 5

6 Assenza di coppie giroscopiche con maggiore facilità di pilotaggio e minori sollecitazioni sulla struttura e sull albero dell elica Maggiore efficienza complessiva dal punto di vista aerodinamico. (il rendimento propulsivo è inferiore di poco (al max 2%), tuttavia il centro di pressione palare è spostato all esterno e quindi per eliche traenti l efficienza globale migliora ) Diminuzione del diametro dell elica, minore altezza da terra del velivolo, carrello più basso. Questo compensa il maggior peso dovuto alla trasmissione 6

7 Semplicità di realizzazione Affidabilità elevata associata alla ricerca del minor numero possibile di componenti Peso ridotto: in campo aeronautico ha un importanza rilevante Utilizzo di materiali innovativi anche se costosi Ingombri ristretti : la riduzione dovrà essere collocata all interno degli attuali ingombri definiti dal vano motore del SF

8 SISTEMA RIDUZIONE 4 ruote dentate cilindriche a denti dritti

9 SISTEMA RIDUZIONE 4 ruote dentate cilindriche a denti dritti

10 SISTEMA RIDUZIONE 4 ruote dentate cilindriche a denti dritti Coassialità alberi eliche SISTEMA INVERSIONE MOTO 1 3 ruote coniche Gleason a denti spiroidali 10

11 Ridurre la velocità Albero motore: rpm Alberi eliche : rpm τ tot = ning nout = 5 TROPPO ELEVATO FRAZIONAMENTO DELLA RIDUZIONE τ 1 = 2.5 τ2 = 2 11

12 Obiettivo : invertire il senso di rotazione di un albero elica, per realizzare il moto di due eliche controrotanti senza ridurre il regime di rotazione τ = 1 3 ruote coniche Gleason a denti spiroidali Possibilità di utilizzo ad alte velocità Maggior superficie di contatto dei denti Maggior rendimento Maggior silenziosità 12

13 RUOTE DENTATE Alte proprietà resistenziali Durezza 150 HB 250 HB Alta resistenza ad usura Alta resistenza a flessione 14NiCr18 Acciaio da cementazione Rottura = 1130 Mpa Resistenza a fatica = 740 Mpa Modulo elastico = MPa Grazie al trattamento termico si raggiungono elevate resistenze a Pitting dei denti 13

14 RUOTE DENTATE Alte proprietà resistenziali Durezza 150 HB 250 HB Alta resistenza ad usura Alta resistenza a flessione 14NiCr18 Acciaio da cementazione Rottura = 1130 Mpa Resistenza a fatica = 740 Mpa Modulo elastico = MPa Grazie al trattamento termico si raggiungono elevate resistenze a Pitting dei denti PESO ECCESSIVO!!! 14

15 14NiCr18 molto pesante Necessità di alleggerimento delle ruote dentate 14NiCr18 per i denti delle ruote dentate Razze, mozzo e alberi in una lega di Ti Ti6AI4V resistenza a trazione molto simile ad un acciaio Rottura = MPa Snervamento = MPa densità inferiore di circa il 40% Modulo elastico E = MPa elevata duttilità Densità = 4,43 kg/dm 3 Progettare componenti di elevata leggerezza senza la necessità di aumentare oltremodo le sezioni e di conseguenza gli ingombri del componente stesso 15

16 14NiCr18 molto pesante Necessità di alleggerimento delle ruote dentate 14NiCr18 per i denti delle ruote dentate Razze, mozzo e alberi in una lega di Ti Ti6AI4V resistenza a trazione molto simile ad un acciaio Rottura = MPa Snervamento = MPa densità inferiore di circa il 40% Modulo elastico E = MPa elevata duttilità Densità = 4,43 kg/dm 3 Progettare componenti di elevata leggerezza senza la necessità di aumentare oltremodo le sezioni e di conseguenza gli ingombri del componente stesso 16

17 I nput: Rapporto di trasmissione Potenza da trasmettere Numero di giri iniziali Larghezza di fascia desiderata Numero di denti del pignone Materiale da adoperare (Utilizzo del programma di SolidEdge V18) 17

18 (Utilizzo del programma di SolidEdge V18) O utput : Dimensioni di ogni ruota dentata Modulo Risultati della verifica a Pitting ed a usura 18

19 (Utilizzo del programma di SolidEdge V18) I nput: Rapporto di trasmissione Potenza da trasmettere Numero di giri iniziali Larghezza di fascia desiderata Numero di denti del pignone Materiale da adoperare O utput : Dimensioni di ogni ruota dentata PITTING Modulo Risultati della verifica a Pitting ed USURA VERIFICA AD a usura 19

20 (Utilizzo del programma di SolidEdge V18) I nput: Rapporto di trasmissione Potenza da trasmettere Numero di giri iniziali Larghezza di fascia desiderata Numero di denti del pignone Materiale da adoperare O utput : Dimensioni di ogni ruota dentata PITTING Modulo Risultati della verifica a Pitting ed USURA VERIFICA AD a usura 20

21 Alberi Dimensionamento e verifica Effettuato tramite il metodo della massima energia di distorsione di Von Mises Ogni materiale sollecitato elasticamente subisce un piccolo cambiamento di forma, volume o entrambi. L energia richiesta per produrre questo cambiamento, viene immagazzinata dal materiale come energia elastica. Si utilizza una tensione equivalente definita come il valore della tensione di trazione uniassiale che produrrebbe lo stesso livello di energia di distorsione prodotto dall effettivo stato di tensione. σ eq = σ x 2 + 3τ xy 2 σ lim 21

22 Dimensionamento cuscinetti Serie: SKF Dovranno garantire un affidabilità complessiva del 99% 22

23 23

24 24

25 25

26 167,5 292, ,6 26

27 Con l adozione delle ruote in titanio si risparmiano 5 kg rispetto a ruote dentate comuni. Peso totale riduzione: 9 kg Soluzione con ruote coniche permette di evitare che si adottino un numero elevato di ruote dentate cilindriche al fine di giungere al medesimo risultato con un risparmio notevole dal punto di vista del peso e degli ingombri. Miglioramento generalizzato delle condizioni di peso e ingombri rispetto al Lycoming, con possibilità di utilizzare eliche controrotanti Soluzione studiata Riduzione + motore 8 cilindri Soluzione attuale Motore 6 cilindri Boxer 109 kg 180 kg 27

28 Possibilità di alleggerimento. A causa degli ingombri longitudinali della riduzione, qualora la lunghezza della nuova soluzione sia significantemente diversa da quella del Lycoming, allora sarà opportuno modificare il vano motore. Realizzare un carter che contenga completamente il blocco riduzione Può essere realizzato in due parti, una contenente esclusivamente il treno di ingranaggi atti ad effettuare la riduzione e una seconda parte, contenente soltanto gli ingranaggi conici. L albero elica e relativi dischi, dovranno essere interamente progettati una volta conosciute dimensioni e caratteristiche dell eliche che andranno ad equipaggiare l aereo. 28

29 29