STUDIO DI FATTIBILITA DI UN MOTORE DIESEL AEREONAUTICO DI PRESTAZIONI EQUIVALENTI ALLA TURBINA PT-6 Tesi di laurea di Giuliani Marco Relatore: Prof. Ing. L. Piancastelli Università degli studi di Bologna-A.A.2004/2005-19 gennaio2006
Obbiettivi Studio di massima del motore diesel common rail avente i nuovi iniettori piezoceramici in grado di lavorare fino a 10000 rpm Dimensionamento dell assieme Pistone-spinotto spinotto-biella Verifica di resistenza delle parti con Ansys Workbench
Studio di massima Potenza massima1450 cv Supponiamo di poter conservare il ciclo dell indicatore del motore 1900 jtd avio avente le seguenti caratteristiche 1. Pmax = 160 bar 2. Pressione di aspirazione = 2.5 bar 3. Esponente della politropica di compressione n=1,33 4. Rapporto di compressione di r=15.5.5:1
Studio di massima Cilindrata nuovo motore 7000 cc Framentazione della cilindrata ed architettura 12 cilindri a V Velocità media del pistone (Cm) ) compatibile con una durata di 3000 h Cm 1900jtd a 3800 rpm = 11.4 m/s (vita dei segmenti circa 4500 h) Cm yamahar6 a 12500 rpm = 14 m/s (regime di coppia max); Cm yamahar6 a 14500 rpm = 20.54 m/s (regime di potenza max); Scelgo invece una corsa di 49.2 mm con un Cm pari a 16.4 m/s Alesaggio = 123 mm Alesaggio/Corsa = 2.5 Per limitare le spinte laterali sul pistone scelgo la lunghezza della biella pari a 130 mm r/l =0,19
1 η*k i Studio di massima Valutazione del consumo Ki = 10000 kcal/kg η = 0,38 posso così determinare il consumo specifico q, il consumo orario Q del motore. q =1/ η Ki = 2,63 10-1 gr/kcal = 226 gr/kwh Q totale = q q P = 240 kg/h Q cilindro =240/12 =20 kg/h
Studio di massima Valutazione del combustibile da iniettare per scoppio per cilindro Vregime = 10000 rpm ne segue che ho c=300000 detonazioni all ora r = 0,9 kg / dm 3 qc4 c4 = Qunit/c r = 74,3 mm 3 La quantità richiesta non è elevata, ed è ben al di sotto dei limiti tecnologici dei comuni iniettori oggi in commercio ( 150-160 160 mm 3 ).
Dimensionamento pistone Rapporto di compressione r = 15.5:1 Vcamera combustione = Vcil unitaria/r = 3,77 10-5 mm 3 cil-unitaria Vcamera-unitaria =1,885 10-5 mm 3 Diametro Esterno Spinotto = 37.5 mm (per analogia dal 1900jtd) Modello costruito con Solid Edge
Analisi pistone Analisi strutturale: Analisi statica: pistone al P.M.S. sollecitato dalla pressione dei gas e dalla distribuzione di temperature analoga al 1900 jtd Importazione del modello in Ansys Workbench 9 Discretizzazione del componente Applicazione di carichi e vincoli Definizione di proprietà del materiale in funzione di temperatura e velocità di applicazione del carico. Assegnazione di tali proprietà a diverse aree del pistone Calcolo
Analisi pistone: risultati calcolo con Ansys Workbench Pistone non ricoperto Lega d alluminio d 390-T5 Carico: 160 bar in camera 140 bar sul cielo del pistone Accelerazione applicata a tutti i componenti per simulare la forza d inerziad Risultati: Il materiale non riesce a sopportare i carichi Si hanno molte zone in cui il C.S. è minore di uno
Risultati calcolo con Ansys Workbench Pistone ricoperto con acciaio 30 WCrV 179 dello spessore di 1mm: Il pistone risulta molto sollecitato soprattutto nella parte di accoppiamento con lo spinotto dove ho un fattore di sicurezza molto basso, ma superiore ad 1 Il punto debole del pistone è il materiale di cui è costituito (lega d alluminio 390-T5) perché anche se molto leggero, le caratteristiche scadono molto rapidamente con l aumentare della temperatura.
Analisi biella Disegno modello con Solid Edge Importazione del modello in Ansys Workbench 9 Discretizzazione del componente Applicazione di carichi e vincoli Carichi determinati con il foglio di Calcolo carico dell ing. Piccaglia
Analisi biella La tensioni massima è concentrata sul piede di biella. Le sollecitazioni sono abbondantemente al di sotto del limite di snervamento del materiale che è di 930 Mpa e come si può vedere anche il fattore di sicurezza è in generale elevato in quanto si tratta di un carico impulsivo
Analisi biella e spinotto
Conclusioni Dal punto di vista strutturale è possibile realizzare un motore diesel common rail da 1450 CV a 10000 rpm L idea di utilizzare come materiale per il pistone la lega d alluminio d 390-T5 è risultata molto soddisfacente per quanto concerne la riduzione dei d pesi, anche se si è dovuti ricorrere ad un ricoprimento d acciaio d ( 30 WCrV 179 ) dello spessore di 1 mm per poter sopportare le elevate sollecitazioni presenti in camera di combustione La doppia iniezione è molto vantaggiosa per due aspetti Sicurezza: gli iniettori lavorano indipendentemente e perciò se uno non funziona permette il rientro in condizioni di emergenza Riduzione del peso del pistone e quindi delle forze d inerzia d Riduzione delle sollecitazioni, motore più compatto e sicuro La biella non presenta particolari problemi strutturali. Si preferisce erisce ipotizzare una biella di lega di titanio per motivi di inerzia e peso
Discretizzazione pistone Elemento tetraedrico Dimensione elemento parti pistone: 3 mm Dimensione elemento rivestimento pistone: 1 mm Reticolo con 259952 nodi e 93530 elementi
Ambiente di analisi
Caratteristiche materiale A390-T5 Suddivisione del materiale in più zone a T costante incollate tra loro con vincoli di congruenza (spostamenti e rotazioni ai nodi) 80 70 60 50 40 30 20 10 Serie1 Definizione delle caratteristiche in funzione della T ipotizzata su ogni zona. Andamento della T da verificare perché non conosciuta, ma ipotizzata basandosi su quella del pistone del 1900 jtd avio. 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 T emperat ura ( deg C )