ingegnerizzazione inversa della testata di un motore rolls
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ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNAFACOLTA’ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea in Ingegneria MeccanicaDisegno Tecnico Industriale
Ingegnerizzazione inversa della testata di un
motore Rolls Royce Merlin 63
Candidato: Relatore:Andrea Burnelli Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli
Correlatori:Chiar.mo Prof. Ing. Gianni CaligianaChiar.mo Prof. Ing. Alfredo Liverani
Dott. Ing. Daniele Marozzi
Anno Accademico 2005-2006, 22 Giugno 2006
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Obiettivo della tesi
Modellazione tridimensionale al CAD partendo dall’oggetto originale
Verifica termica e meccanica del componente con gli elementi finiti
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Motore Rolls Royce Merlin 63
• versione Merlin 63• 12 cilindri a V di 60°• 27.020 cm3 di cilindrata• peso 766 kg• compressore centrifugo a due stadi• potenza 1600 cv• recuperato a San Marino, aereo
precipitato nel 1943
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Testata smontata e pulita
Ingombri di massima:
lunghezza 1076 mm, larghezza 220 mm, altezza massima 172 mm
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testata sezionata condotti di scarico illuminati
condotti d’aspirazione illuminatipiano distribuzione
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Analisi metallografica
Si % Fe % Cu % Mn % Mg %
3.05 1.10 1.72 0.06 0.01
Cr % Pb % Sn % Ti % Ag %
0.009 0.0290 0.0231 0.186 <0.001
B % Be % Ca % Na % P %
<0.0010 <0.0010 0.0050 0.0062 0.0018
Sb % Sr % Li % V % Zr %
0.0152 0.0004 0.0020 0.0076 0.006
Cd % Co % Zn % Ni % Al %
0.0044 0.004 0.063 0.75 92.87
Si % Fe % Cu % Ni % Al %
3.05 1.10 1.72 0.75 92.87
fase alluminio primario eutettico alluminio - silicio
porosità nella fusione
Si ringrazia l’Istituto Aldini Valeriani di Bologna per le attrezzature messe a disposizione
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Prove di durezza
• Durezza rilevata83 HRF ~ 46 HRB
• Valori notevolmente variabili
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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°) 0,5625 20
boccola candela filetto esterno
11/16 x 20 BSF 0,6875 20
inserto lato aspirazione interno
1/4 BSF 0,25 26
inserto lato aspirazione esterno
7/16 BSF 0,4375 18
ghiera fissaggio tubi olio
G3/4 x16 UNI 228/1
0,75 16
tappi acqua diametro esterno 33 mm
G3/4 x16 UNI 228/1
0,75 16
prigionieri scarico
5/16 BSF 0,3125 22
prigionieri distribuzione lato testata
1/2 BSF 0,5 16
prigionieri distr. lato coperchio valvole
3/8 BSF 0,3750 20
prigionieri fissaggio testata ai cilindri
1/2 BSF 0,5 16
prigionieri coperchio valvole
1/4 BSF 0,25 26
sede valvola aspirazione
61/64 1,95 20
sede valvola scarico
29/32 1,90 20
rilievo diametro esterno
rilievo passo
contafiletti
filetto sede valvola (20x)
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Liquidi penetranti:
1) pulizia preliminare2) applicazione del penetrante:3) rimozione del penetrante in eccesso:4) applicazione dello sviluppatore bianco5) ispezione6) esito
individuata una cricca
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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
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Risultati dei rilievi
rilievi di durezza sulla
camera di combustione
corrispondenza con le temperature
I risultati non sono troppo attendibili a causa della rugosità della camera di combustione
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Modellazione con Solid Edge
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Modellazione con Solid Edge
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Verifiche sul componente
TERMICHE:Temperature in camera di combustione
Temperature lato acqua
Temperature olio
MECCANICHE:
Tensioni
Deformazioni
Interazione con i componenti
Punti caldi d’innesco detonazione
Problemi di ebollizione
Degrado dei fluidi
Scadimento proprietà materiale
Rotture a fatica
Funzionamento scorretto
Perdite di fluidi
Ora si visualizzeranno i carichi termici e le zone di scambio
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Carichi termici
Combustione
Contatto valvola d’aspirazione
Contatto valvola di scarico
Olio
Condotto d’aspirazione
Condotto di scarico
Refrigerante
Contatto candela
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Modello monodimensionale di scambio termico in camera di combustione
Pressione = P(α)
Temperatura = T(α)
( )720
,0
1720gas med gash h dα α= ⋅ ⋅∫
( ) ( )720
,, 0
1720gas med gas gas
gas med
T h T dh
α α α= ⋅ ⋅ ⋅⋅ ∫
MASSIMA POTENZA:- 3000 rpm- carico 100%
= 679 W/m² K
= 1052 °C
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Sedi e guide valvola
Bilancio dei flussi termiciGrandezze mediate nel tempo,variabili nello spazioScambio valvola chiusa-aperta,funzione della p. di contatto
[Garro]
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Condotti di aspirazione e di scarico
0,8 0,330,027 Re Pr g
p
Nuνν
=
(Sieder & Tate)
h [W/m²K] T [°C]
Aspirazione 400 65
Scarico 554 1100
Temperatura = T(α)
Portata = Q(α)
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Refrigerante
Elevati flussi di calore
Convezione Forzata
Ebollizione Nucleata
Flusso Critico
Fattori che condizionano lo scambio:
Temperatura di parete
Proprietà del fluido
Finitura superficiale
Depositi
Meno importanti:
o Velocità
o Diametro idraulico
Confronto Modelli:
•Chen
•Mc. Adams
•Thom & Al.
•Forster & Zuber
•Rosenow
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Modello elementi finiti
• Comportamento non
• 227˙851 NODI
• 140˙611 ELEMENTI
lineare dei:
- materiali in funzione dellatemperatura
- contatti tra sedi, guide e testa
- scambi termici del refrigerante
• Step di carico:1) assemblaggio
2) assemblaggio + termico
3) assemblaggio + termico +
pressione in camera
ΛNSYS Workbench 10.0®
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Risultati – verifica termica
1) CAMPO DELLE TEMPERATURE
2) POTENZA ASPORTATA DAL REFRIGERANTE
modello: rilievi NACA:
242,03 °C 242 °C
287,62 °C 288 °C
253,58 °C 252 °C
modello: 300 kW
rilievi NACA: 399 kW
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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.
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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.
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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.