STUDIO DI MASSIMA DELLA
TURBINA PER UN GRUPPO DI
SOVRALIMENTAZIONE AD
ALTISSIMO RAPPORTO DI
COMPRESSIONE
• Tesi di Laurea di STEFANO LAMBERTINI
Inquadramento del problema
Questo lavoro si inserisce nel progetto di un sistema
di sovralimentazione ad altissimo rapporto di
compressione per un motore diesel aeronautico.
Tale progetto intende raggiungere i seguenti risultati:
• Aumentare il rapporto potenza/peso del motore.
• Elevare il rapporto di compressione per innalzare la
quota di ristabilimento a parità di potenza.
• Assicurare l’affidabilità del motore per 1800 h.
• Creare un prototipo del turbocompressore per la
sperimentazione.
Inquadramento del problema
•
Il mio compito era reperire una turbina in grado di
fornire la potenza necessaria al compressore, che
è già progettato e realizzato con le seguenti
specifiche:
1. Rapporto di compressione c= 8
2. Numero di giri = 167000 rpm
3. Diametro della girante = 70 mm
4. Potenza richiesta = 52 kW
•
Le strade da seguire, alternative, erano due:
1. Valutazione delle offerte del mercato
2. Progettazione di una nuova turbina
Ricerca di mercato
Valutando ciò che il mercato delle
turbine offre ho visto che non è
possibile trovare una turbina radiale
di questa taglia che fornisca la
potenza necessaria, perché il
rapporto di espansione richiesto è
troppo elevato.
Linee guida per la progettazione
della turbina
• Intenzione di realizzare un prototipo per la
sperimentazione.
• Scelta di forme semplici ed economiche.
• Si accettano compromessi sui rendimenti.
• Per questi motivi ho scartato le soluzioni delle
turbine radiali e di quelle assiali a reazione, e mi
sono indirizzato verso la progettazione di una
turbina assiale ad azione.
Diagramma di flusso della progettazione
Acquisizione dati motore e compressore
Definizione specifiche di progetto
Scelta dell’approccio progettuale
Determinazione salto entalpico e numero degli stadi
Calcolo dei triangoli delle velocità
nelle palettature
Dimensionamento palettamenti
rotorici e raddrizzatore
Dimensionamento ugelli statorici
Studio raffreddamento palettature
Verifica della resistenza meccanica
delle palettature rotoriche
Valutazione delle sollecitazioni
da azioni fluidodinamiche
Valutazione delle sollecitazioni
da forze centrifughe
Definizione delle specifiche di
progetto
•
Le condizioni che deve soddisfare la turbina
sono due:
1. Parità di portata in massa, a meno del
combustibile e dei trafilamenti, di turbina e
compressore.
2. Erogazione della potenza richiesta per
azionare il compressore e vincere le perdite
(modeste)all’albero del turbocompressore.
Scelta dell’approccio progettuale
• Per lo studio fluidodinamico della turbina
ho scelto il semplice approccio
monodimensionale.
• Ho implementato i procedimenti analitici in
un foglio di calcolo EXCEL.
• Ho integrato la progettazione di alcuni
componenti usando opportuni software
(Ansys).
Dimensionamento dei palettamenti
• Ho scelto di dimensionare
prima la girante, viste le
notevoli sollecitazioni cui è
sottoposta, e a seguire gli ugelli
statorici di distribuzione.
• Sono risultati necessari due
stadi.
• I calcoli fluidodinamici effettuati
mi hanno portato a ritenere
ideale la seguente soluzione:
1. Numero di pale
- prima palettatura rotorica = 8
- raddrizzatore statorico = 8
- seconda palettatura rotorica
= 12
2. Diametro massimo della
girante = 58,1mm
Dimensionamento dei palettamenti
• Le palette verranno
realizzate una per
una e poi fissate,
attraverso opportuni
incastri, al rotore.
• Visto il ridotto spazio
a disposizione nel
mozzo, ho scelto il
tipo di incastro “a
bulbo”.
Studio della resistenza meccanica dei
palettamenti rotorici
•
Ho verificato la resistenza meccanica dei particolari più
critici della turbina, ovvero i palettamenti rotorici.
•
Ho eseguito le verifiche rispetto alle:
1. Sollecitazioni dovute alla forze centrifuga
2. Sollecitazioni dovute alle azioni fluidodinamiche
•
Come era prevedibile, vista l’elevatissima velocità di
rotazione, le seconde sono trascurabili rispetto alle
prime. Le sollecitazioni centrifughe vanno dunque
studiate con attenzione.
Studio della resistenza meccanica dei
palettamenti rotorici con ANSYS
• Data la criticità del
particolare, per verificare i
risultati ottenuti ho pensato
di simulare la resistenza
alle sollecitazioni
centrifughe tramite il
software di calcolo ANSYS
che applica il metodo degli
elementi finiti.
• La simulazione ha
sostanzialmente confermato
la correttezza dei risultati
ottenuti, mostrando come la
sezione della pala più
sollecitata sia la base.
Materiali per le palettature rotoriche
• Ho valutato i materiali con caratteristiche resistenziali
adeguate alle alte temperature disponibili sul mercato e
lavorabili alle macchine utensili.
• La scelta ricade quasi obbligatoriamente sulle
superleghe a base di Nichel.
• Ho scelto l’Inconel 100, che ci assicura la resistenza
meccanica desiderata alla temperatura di ingresso dei
gas di scarico, con una densità leggermente inferiore a
quella dell’acciaio.
Raffreddamento della palettatura
• Le palettature rotoriche sono sottoposte a:
-elevate sollecitazioni meccaniche
-elevato carico termico
• Ho quindi previsto il raffreddamento delle palette,
sottraendo calore dall’interno delle stesse per
“convezione forzata”, tramite canalizzazione con
direzione radiale nelle quali fluisce aria refrigerante
sottratta al compressore.
• La lavorazione dei canali lungo le pale verrà realizzata
per elettroerosione.
Raffreddamento della palettatura
•
I vantaggi di questa soluzione sono:
1. Alleggerimento delle palette e della turbina nel suo complesso
2. Riduzione delle notevoli forze centrifughe
3. Possibilità di avere una maggiora temperatura di ingresso dei gas
• Ho calcolato che per la nostra turbina tale temperatura è
Tmax=840°C
• Per scegliere questo valore ho dovuto considerare due aspetti:
1. le caratteristiche resistenziali dei materiali
2. le dimensioni molto ridotte delle sezioni di passaggio dei gas nelle
palettature
• Ho valutato la portata di fluido refrigerante, necessaria per
mantenere una temperatura di parete della paletta compatibile con
la resistenza meccanica, nell’1,2% di quella complessiva che
attraversa il compressore.
Dimensionamento degli ugelli
statorici
• Si è rivelata necessaria una
distribuzione integrale,
sull’intera circonferenza,del
fluido accelerato.
• La soluzione costruttiva
migliore è quindi una
palettatura statorica
disposta a monte di quella
rotorica.
• Attraverso un adeguato
profilo delle palette, ho
conferito al condotto
l’opportuno andamento
convergente-divergente.
• I calcoli che ho eseguito mi
hanno portato a decidere
per 4 ugelli statorici.
Realizzazione della paletta rotorica
• Come esempio di
prototipazione ho pensato
di eseguire il particolare
più complesso e delicato,
una paletta rotorica.
• Ho realizzato il disegno
con SOLID EDGE.
• Una volta definite le
superfici da lavorare,ho
realizzato il percorso
utensile per la lavorazione
della paletta
implementandone il
disegno col software CAM
CIMATRON
• Questo software permette
anche di simulare la
lavorazione per verificare
che i parametri fissati
siano corretti.
Realizzazione della paletta rotorica
Per finire ho realizzato
concretamente in
alluminio la paletta per
verificare la correttezza
del percorso utensile,
rendendomi conto di
come sia necessario
realizzare molte
passate con piccole
profondità al fine di
contenere le vibrazioni,
principale problema di
queste lavorazioni.
Conclusioni
• La progettazione di un turbocompressore
specifico per applicazione aeronautica ha
consentito di ottenere risultati non presenti
nell’offerta commerciale, che è impostata su
caratteristiche di funzionamento tipiche
dell’utilizzo del motore per l’autotrasporto.
• La progettazione della turbina appare
promettente.
• Durante svariati passi della progettazione, si è
evidenziata l’estrema importanza di eseguire
prove sperimentali su un prototipo.