STUDIO DI FATTIBILITA’ DI UN GRUPPO TURBOCOMPRESSORE AD

ALTISSIMO RAPPORTO DI COMPRESSIONE PER UN MOTORE

DIESEL AERONAUTICO

Tesi di laurea di Luca Lanzarini

Il nostro studio si inserisce in un progetto generale di trasformazione di un motore

Diesel terrestre in un motore Diesel aeronautico.Tale progetto intende raggiungere i seguenti risultati:

• Aumento del rapporto potenza/peso.• Aumento dell’affidabilità del motore per

raggiungere gli standard richiesti.• Ridimensionamento degli scambiatori di calore• Aumento della quota di ripristino

Il motore oggetto del progetto è il FIAT 1,9 JTD già modificato nella meccanica, montato sul

banco di spinta a Forlì.

• La potenza è stata portata da 105 a 165 cv(wastegate, turbo, pistoni, iniettori).

• E’ stato aggiunto un riduttore per l’elica.

• E’ stata ridisegnata la coppa.

Caratteristiche tecniche del motore FIAT 1,9 JTD modificato per utilizzo aereo:

• Numero di cilindri: 4 in linea• Diametro per corsa (mm): 82 x 90.4• Cilindrata (cm3): 1910• Rapporto di compressione 18,45: 1• Potenza max: 160 CV = 117,76 KW• Rpm max: 3800 = 397,94 rad/s• Coppia max = 296 Nm• Trasmissione della distribuzione: cinghia dentata• Alimentazione ad iniezione diretta• Turbosovralimentazione ad interrefrigerazione• Sovralimentazione a terra �=3

Quota di ripristino

Nei motori aeronautici si compensa la diminuzione della densità dell’aria in quota, e quindi della potenza, utilizzando una sovralimentazione detta “sovralimentazione di ripristino”

La quota massima a cui l’aereo può spingersi senza perdite di potenza viene chiamata “quota di ripristino”.

Nei motori Diesel il raggiungimento di quote di ripristino accettabili è critico, in quanto è presente una sovralimentazione decisamente spinta anche a terra.

Questa tesi si propone di individuare una soluzione tecnica che consenta di incrementare la

quota di ripristino del motore

La soluzione più efficace a questo problema è sembrata quella di progettare un turbocompressore appositamente realizzato per lo scopo.

Si è stabilito di progettare un gruppo turbocompressore con �=8.

Tale valore, elevatissimo, è stato scelto perché ritenuto dalla letteratura specializzata, da noi consultata, come valore limite per le attuali tecnologie.

Si è calcolato che con �=8 il motore potrebbe raggiungere una quota di ripristino di poco superiore ai 24000 feet (oltre 7000m).

L’elemento critico nella progettazione del gruppo turbocompressore è stato individuato

nel compressore

Si è eseguita una specifica progettazione solo per il compressore centrifugo

Per quanto riguarda turbina, intercooler, organi di regolazione e sicurezza si è deciso di effettuare una scelta (successiva alla costruzione del prototipo) dall’offerta commerciale che è sembrata sufficientemente ampia da rispondere alle nostre esigenze.

Linee guida nella progettazione del compressore

• Rapporto di compressione �=8.• Intenzione di realizzare un prototipo

sperimentale.• Scelta della forma più semplice ed

economica possibile per i vari elementi del compressore.

Diagramma di flusso della progettazione

Progettazione delle varie parti che compongono il compressore

Scelta di un approccio progettuale

Suddivisione del compressore nelle parti che lo compongono-GIRANTE

-DIFFUSORE-VOLUTA

Definizione specifiche di progettoß=8.

Portata in massa 500 Kg/h

Acquisizione informazioni-Dati forniti dal costruttore del motore

-Letteratura specializzata-Produzione commerciale

Scelta approccio progettuale

• Per lo studio fluidodinamico del compressore si è scelto il semplice approccio monodimensionale

• Per il calcolo della resistenza meccanica della girante si è scelto il metodo dei dischi rotanti con successiva verifica agli elementi finiti.

• Procedure di calcolo sono state implementate in un foglio di calcolo EXCEL.

• Si è integrata la progettazione di alcuni componenti utilizzando specifici software quali FLUENT e ANSYS.

Progetto della girante• Nel progetto della girante si

è imposto a priori di realizzare pale con andamento perfettamente radiale per poter incrementare, per quanto possibile, la velocità di rotazione

• La progettazione è stata eseguita con un approcciomonodimensionale, tenendo conto della deviazione del flusso(slip) e della separazione della vena(zonewake e jet) con opportuni coefficienti sperimentali reperiti in letteratura.

Progetto della giranteI calcoli fluidodinamici effettuati hanno

portato a ritenere ideale la seguente soluzione:

1. Numero di pale 18.2. Diametro della girante 70 mm.3. Spessore pale 0,5 mm.4. Velocità di rotazione 165000 rpm.5. Diametro condotto di aspirazione 41 mm.

Progetto della girante

• Si sono valutate due possibili soluzioni costruttive per la girante:

1. Girante in alluminio ricavata dal pieno alla macchina utensile

2. Girante in acciaio inossidabile saldato

Progetto girante

Per la soluzione in acciaio saldato non si è conformato il canale meridiano, privilegiando la semplicità costruttiva a scapito del rendimento fluidodinamico.

Si è effettuata la verifica utilizzando il metodo dei dischi rotanti. Si è conformato il bordo esterno della pala come solido di uniforme resistenza alla trazione generata dalla forza centrifuga.

Il calcolo eseguito ha portato ad un valore della tensione di confronto � = 428 N/mm2 .

Progetto della girante

• Per la soluzione in alluminioricavata dal pieno alla macchina utensile, si è conformato il canale meridiano in modo semplice, ma di buona efficienza fluidodinamica.

• Si è disegnato il modello tridimensionale con il software Solid Edge al fine di poter realizzare la lavorazione alla macchina utensile a controllo numerico.

Progetto della girante

• Per valutare la resistenza meccanica della girante in alluminio ricavata dal pieno si è utilizzato un software di calcolo agli elementi finiti (ANSYS)

• Il software ha permesso di importare la geometria definita in Solid Edge.

• Si è analizzata una sola pala, privata dell’inducer.

Mesh del problema

Risultato analisi(tensione di confronto secondo Von Mises)

Progetto del diffusore

• E’ stato scelto un diffusore non palettatoche garantisce semplicità costruttiva, aumenta fascia di utilizzo del compressore, qualità tali da compensare la bassa efficienza e le dimensioni ragguardevoli.

• Il calcolo di progetto ha portato ad un diffusore di diametro esterno pari a 126 mm ed uno spessore costante di 2 mm.

Studio del diffusore con Fluent• I risultati del calcolo del

diffusore ci sono sembrati troppo incoraggianti dunque si è scelto di simularne il funzionamento con un apposito software di fluidodinamica numerica CFD. Si è utilizzato FLUENT.

• La simulazione numerica eseguita con FLUENT ci ha permesso di correggere i risultati ottenuti.Il diffusore progettato si è dimostrato un pòmeno performante.

Studio della voluta

• Per la forma della voluta ci si è ispirati al compressore attualmente montato sul motore

• Il calcolo fluidodinamico è stato effettuato in due fasi:

1. Calcolo di primo dimensionamento ipotizzando il fluido non viscoso.

2. Correzione dei risultati ottenuti per tener conto della viscosità

• Tutto il calcolo è stato impostato supponendo il fluido incomprimibile

Rendimento del compressore

• In sede di progetto si è assunto � = 0,58 come rendimento isoentropico del compressore.

• Ad un calcolo di verifica, tale rendimento è apparso leggermente sovrastimato.

• Si prevede che il reale rendimento del compressore, ricavato in sede sperimentale, sarà minore di quello calcolato.

• Si è stimato che, visto l’elevatissimo rapporto di compressione, il nostro compressore si dimostri, comunque, una proposta valida anche con rendimenti prossimi al 50 %.

Conclusioni• Il sistema di sovralimentazione da noi progettato

sembra decisamente promettente.• La progettazione è stata facilitata dalla

particolarità dell’applicazione.La progettazione di un turbocompressore specifico per applicazione aeronautica consente di ottenere e ritenere validi risultati irraggiungibili per l’offerta commerciale, che è impostata su caratteristiche di funzionamento tipiche dell’utilizzo del motore per l’autotrasporto.

• Durante svariati passi della progettazione, si è evidenziata l’estrema importanza di eseguire prove sperimentali su un prototipo.