Dimensionamento di massima Dimensionamento di massima e studio di un e studio di un

turbocompressore aeronautico turbocompressore aeronautico con turbina assialecon turbina assiale

Tesi di laurea diTesi di laurea di: Stefano Casamassima : Stefano Casamassima RelatoreRelatore: Prof. Ing LUCA PIANCASTELLI: Prof. Ing LUCA PIANCASTELLICorrelatoriCorrelatori: Prof. Ing GIANNI CALIGIANA: Prof. Ing GIANNI CALIGIANA

Dott. Ing. ENRICO TROIANIDott. Ing. ENRICO TROIANI1)1) TURBINA TURBINA Dott. Ing. DANIELDott. Ing. DANIELA FRANCIAA FRANCIA2)2) TURBOCOMPRESSORETURBOCOMPRESSORE3)3) FEAFEA4)4) SUPERLEGHESUPERLEGHE5)5) FORZA CENTRIFUGAFORZA CENTRIFUGA

Obiettivi generali della tesiObiettivi generali della tesiQuesto lavoro si inserisce in un progetto più ampio di trasformazione di un motore Diesel terrestredi fabbricazione italiana, in un motore diesel aeronautico, focalizzando l’attenzione sull’aumentodella quota di ristabilimento.

Per Per quota di ristabilimentoquota di ristabilimento si intende la quotasi intende la quotamassima cui lmassima cui l’’aereo può spingersi senza perdite aereo può spingersi senza perdite di potenza.di potenza.

Si assume come punto di partenza il risultato del Si assume come punto di partenza il risultato del progetto del compressore centrifugo ad elevatissimoprogetto del compressore centrifugo ad elevatissimorapporto di compressione in quota (rapporto di compressione in quota (β=8) che) checonsente di incrementare la quota di ristabilimentoconsente di incrementare la quota di ristabilimentodelldell’’aereo.aereo.A terra non si riesce a superare il valore di A terra non si riesce a superare il valore di β = 5,5

Le caratteristiche del compressore Le caratteristiche del compressore (specifiche di progetto) sono le seguenti:sono le seguenti:Rapporto di compressione Rapporto di compressione β=8 alla quota di 24000 feet (7315m)alla quota di 24000 feet (7315m)VelocitVelocitàà di rotazione 167000 rpmdi rotazione 167000 rpmDiametro della girante 70 mmDiametro della girante 70 mmPotenza richiesta 52 kwPotenza richiesta 52 kw

Linee guida per la progettazione della turbinaLinee guida per la progettazione della turbinaInnanzitutto, per lo sviluppo di questo lavoro, occorre Innanzitutto, per lo sviluppo di questo lavoro, occorre dimensionare una turbinadimensionare una turbina per il gruppo di per il gruppo di sovralimentazione, in grado di fornire la potenza necessaria ad sovralimentazione, in grado di fornire la potenza necessaria ad un compressore, giun compressore, giàà progettato, progettato, ad elevatissimo rapporto di compressione (ad elevatissimo rapporto di compressione (β=8).

Intenzione di realizzare un prototipo per la sperimentazione.Intenzione di realizzare un prototipo per la sperimentazione.Scelta di forme semplici ed economiche.Scelta di forme semplici ed economiche.Si accettano compromessi sui rendimenti.Si accettano compromessi sui rendimenti.

Per questi motivi, ho scartato le soluzioni delle turbine radialPer questi motivi, ho scartato le soluzioni delle turbine radiali ed assiali ad reazione (i ed assiali ad reazione (il peso,inoltre, è un parametro fortemente negativo in campo aeronautico) indirizzando lindirizzando l’’attenzioneattenzionesul sul progetto di una turbina assiale ad azioneprogetto di una turbina assiale ad azione..

Le condizioni che deve soddisfare la turbina sono due:1.1. ParitParitàà di portata in massa, a meno del combustibile e dei trafilamentidi portata in massa, a meno del combustibile e dei trafilamenti, di turbina e , di turbina e compressore.compressore.2.2. Erogazione della potenza richiesta per azionare il compressore Erogazione della potenza richiesta per azionare il compressore e vincere le perdite e vincere le perdite (modeste)all(modeste)all’’albero del turbocompressore. albero del turbocompressore.

Per lo studio fluidodinamico della turbina ho scelto il semplicePer lo studio fluidodinamico della turbina ho scelto il semplice approccio monodimensionaleapproccio monodimensionale..Ho implementato i procedimenti analitici in un foglio di calcoloHo implementato i procedimenti analitici in un foglio di calcolo EXCEL.EXCEL.

Diagramma di flusso della progettazione della Diagramma di flusso della progettazione della turbinaturbina

Acquisizione dati motore e compressore

Definizione specifiche di progetto e scelta dell’approccio progettuale

Determinazione salto entalpico

Calcolo dei triangoli delle velocità nelle palettature

Dimensionamento palettamenti rotoriciDeterminazione larghezza d’imbocco ed ingombro assiale

Verifica della resistenza meccanica delle palettature Valutazione delle sollecitazioni dovute

a forze centrifughe

Dimensionamento dei palettamentiDimensionamento dei palettamentiHo scelto di dimensionare prima la girante, poiché è sottoposta a notevoli sollecitazioni, e in seguitogli ugelli statorici di distribuzione.Sono risultati necessari due stadi.

I calcoli fluidodinamici effettuati mi hanno portato aI calcoli fluidodinamici effettuati mi hanno portato aritenere ideale la seguente soluzione:ritenere ideale la seguente soluzione:

Numero di pale della prima palettatura rotorica = 9Numero di pale della prima palettatura rotorica = 9

Numero di pale del raddrizzatore statorico = 9Numero di pale del raddrizzatore statorico = 9

Numero di pale della seconda palettatura rotorica = 12Numero di pale della seconda palettatura rotorica = 12

Diametro massimo della girante = 54 mmDiametro massimo della girante = 54 mm

Resistenza meccanica dei palettamenti Resistenza meccanica dei palettamenti rotorici e materiali costruttivirotorici e materiali costruttivi

Ho verificato la resistenza meccanica dei particolari piHo verificato la resistenza meccanica dei particolari piùù critici della turbina, ovvero i critici della turbina, ovvero i palettamenti rotorici.palettamenti rotorici.

Ho eseguito le verifiche rispetto alle:Ho eseguito le verifiche rispetto alle:1. Sollecitazioni dovute alla 1. Sollecitazioni dovute alla forza centrifugaforza centrifuga2. Sollecitazioni dovute alle 2. Sollecitazioni dovute alle azioni fluidodinamicheazioni 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.

Ho valutato i materiali con caratteristiche resistenziali adeguaHo valutato i materiali con caratteristiche resistenziali adeguate alle alte temperature disponibili te alle alte temperature disponibili sul mercato e lavorabili alle macchine utensili.sul mercato e lavorabili alle macchine utensili.

La scelta ricade quasi obbligatoriamente sulle superleghe a baseLa scelta ricade quasi obbligatoriamente sulle superleghe a base di Nichel. di Nichel.

Ho scelto Ho scelto ll’’Inconel 100Inconel 100, che ci assicura la resistenza meccanica desiderata alla temper, che ci assicura la resistenza meccanica desiderata alla temperatura di atura di ingresso dei gas di scarico, con una densitingresso dei gas di scarico, con una densitàà leggermente inferiore a quella dellleggermente inferiore a quella dell’’acciaio.acciaio.

Raffreddamento della palettaturaRaffreddamento della palettaturaLe palettature rotoriche sono sottoposte a:Le palettature rotoriche sono sottoposte a:

--elevate sollecitazioni meccanicheelevate sollecitazioni meccaniche--elevato carico termicoelevato carico termico

Ho quindi previsto il Ho quindi previsto il raffreddamento delle paletteraffreddamento delle palette, sottraendo calore dall, sottraendo calore dall’’interno delle stesse interno delle stesse per per ““convezione forzataconvezione forzata””, tramite canalizzazione con direzione radiale nelle quali fluis, tramite canalizzazione con direzione radiale nelle quali fluisce aria ce aria refrigerante sottratta al compressore.refrigerante sottratta al compressore.La lavorazione dei canali lungo le pale verrLa lavorazione dei canali lungo le pale verràà realizzata per realizzata per elettroerosioneelettroerosione..

I I vantaggivantaggi di questa soluzione sono:di questa soluzione sono:1. Alleggerimento delle palette e della turbina nel suo com1. Alleggerimento delle palette e della turbina nel suo complessoplesso2. Riduzione delle notevoli forze centrifughe2. Riduzione delle notevoli forze centrifughe3. Possibilit3. Possibilitàà di avere una maggiore temperatura di ingresso dei gasdi avere una maggiore temperatura di ingresso dei gas

Per scegliere questo valore ho dovuto considerare due aspetti:Per scegliere questo valore ho dovuto considerare due aspetti:1. le caratteristiche resistenziali dei materiali 1. le caratteristiche resistenziali dei materiali 2. le dimensioni molto ridotte delle sezioni di passaggio de2. le dimensioni molto ridotte delle sezioni di passaggio dei gas nelle i gas nelle

palettaturepalettature

Ho valutato la Ho valutato la portata di fluido refrigerante,portata di fluido refrigerante, necessaria per mantenere una temperatura di parete della necessaria per mantenere una temperatura di parete della paletta compatibile con la resistenza meccanica, nellpaletta compatibile con la resistenza meccanica, nell’’ 1 1 -- 2% di quella complessiva che attraversa il 2% di quella complessiva che attraversa il compressorecompressore

Dimensionamento degli ugelli statoriciDimensionamento degli ugelli statorici

Si Si èè rivelata necessaria una rivelata necessaria una distribuzione integrale,distribuzione integrale, sullsull’’intera intera circonferenza,del fluido accelerato.circonferenza,del fluido accelerato.La soluzione costruttiva migliore La soluzione costruttiva migliore èèquindi una palettatura statoricaquindi una palettatura statoricadisposta a monte di quella rotorica.disposta a monte di quella rotorica.Attraverso un adeguato profilo delle Attraverso un adeguato profilo delle palette, ho conferito al condotto palette, ho conferito al condotto ll’’opportuno andamento convergenteopportuno andamento convergente--divergente.divergente.I calcoli che ho eseguito mi hanno I calcoli che ho eseguito mi hanno portato a decidere per 18portato a decidere per 18 ugelli ugelli statorici. statorici.

Diagramma di flusso della progettazione Diagramma di flusso della progettazione delldell’’alberoalbero

Individuazione dati noti

Determinazione dei parametri incogniti dell’albero

Primo dimensionamento di tentativodell’albero relativamentealle condizioni di criticità

Ricerca della carcassa adeguata

Parametri prototipocompressore

Parametri progetto turbina(assiale a due salti di velocità)

Dimensionamento definitivodell’albero sulla base

dei dati della carcassa

Verifica delle condizioni di criticità eresistenza

Ottimizzazione turbina

Parametri prototipo turbina

Dimensionamento dellDimensionamento dell’’alberoalbero ((foglio di calcolo EXCELfoglio di calcolo EXCEL))Foglio di calcolo EXCEL:

Ho sviluppato questa parte del lavoro Ho sviluppato questa parte del lavoro impostando un foglio di calcolo allimpostando un foglio di calcolo all’’interno del interno del quale, variando uno qualsiasi dei parametri in quale, variando uno qualsiasi dei parametri in gioco, si ottiene come risultato il valore delle gioco, si ottiene come risultato il valore delle velocitvelocitàà critiche flessionali e torsionali, in base critiche flessionali e torsionali, in base alle metodologie relative alla dinamica del alle metodologie relative alla dinamica del rotore.rotore.

Risultato ottenuto:Risultato ottenuto:VelocitVelocitàà critica flessionale =critica flessionale = 325000325000 rpmrpm

Velocità critiche flessionali:

Nella determinazione delle velocitNella determinazione delle velocitàà critiche critiche flessionali, occorre tenere conto dellflessionali, occorre tenere conto dell’’inerzia inerzia trasversale delle masse.trasversale delle masse.La determinazione della prima velocitLa determinazione della prima velocitàà critica critica flessionale viene effettuata seguendo il flessionale viene effettuata seguendo il procedimento di iterazione meglio conosciuto procedimento di iterazione meglio conosciuto come metodo di Stodola.come metodo di Stodola.

Dimensionamento dellDimensionamento dell’’alberoalbero ((foglio di calcolo EXCELfoglio di calcolo EXCEL))VelocitVelocitàà critiche torsionali:critiche torsionali:La determinazione della prima velocitLa determinazione della prima velocitàà critica torsionalecritica torsionalesi fa considerando lsi fa considerando l’’albero a sezione non uniforme,albero a sezione non uniforme,dinamicamente equivalente ad uno di sezione uniformedinamicamente equivalente ad uno di sezione uniformetale da avere la stessa rigidezza torsionale. Infine, vienetale da avere la stessa rigidezza torsionale. Infine, vieneconsiderata lconsiderata l’’influenza dei raccordi sulla rigidezzainfluenza dei raccordi sulla rigidezzatorsionale.torsionale.

Risultato ottenuto:Risultato ottenuto:VelocitVelocitàà critica torsionale = critica torsionale = 183000 rpm183000 rpm

Scelta dei cuscinettiScelta dei cuscinettiPoichPoichéé i regimi di rotazione sono inferiori rispetto a quelli di un tui regimi di rotazione sono inferiori rispetto a quelli di un turbocompressore di tiporbocompressore di tipoautomobilistico (circa 160000 rpm anzichautomobilistico (circa 160000 rpm anzichéé circa 220000 rpm), si possono utilizzare,circa 220000 rpm), si possono utilizzare,in luogo delle classiche bronzine, cuscinetti a sfere, ceramici,in luogo delle classiche bronzine, cuscinetti a sfere, ceramici, a pieno riempimento, che pera pieno riempimento, che peraltro non necessitano di unaltro non necessitano di un’’elevata lubrificazione.elevata lubrificazione.

Complessivo del turbocompressoreComplessivo del turbocompressore

Vantaggi del raffreddamento:Vantaggi del raffreddamento:Minori sollecitazioni termiche dei materiali costruttivi.Minori sollecitazioni termiche dei materiali costruttivi.Riduzione delle temperature nel vano motore.Riduzione delle temperature nel vano motore.

Date le elevate temperature raggiunte allo scarico del motore, e quindi in ingresso alla turbina, si èreso necessario studiare un adeguato sistema di raffreddamento misto ad aria (palettamenti) edacqua (carcassa), che interessa tutto il turbocompressore ad eccezione della zona del compressore(più fredda).

Sistema di raffreddamento.

Osserviamo che al prelievo di significative portate di aria dal compressore e alla loro miscelazione con la portata di gas che lavora in turbina sono associate perdite di energia che possono essere suddivise come segue:perdite per inefficiente recupero in turbina del lavoro di compressione speso sull’aria refrigerante;perdite fluidodinamiche per mescolamento di due portate (gas e refrigerante) a velocità diverse;perdite termodinamiche conseguenti al fatto che l’espansione in turbina avviene con sottrazione di calore (quello di raffreddamento);spesa di un certo “lavoro di pompaggio” conseguente alla “centrifugazione” del refrigerante nei dischi e nelle palette delle giranti.

Sistema di raffreddamento (percorso aria).L’aria fredda viene prelevata dalla zona del compressoree, attraverso dei fori ricavati nell’albero, giunge fino allaprima palettatura della turbina (nelle cui pale sonoricavati dei canali per elettroerosione in cui scorrel’aria): lo scambio termico avviene per convezioneforzata. Inoltre, nell’intera carcassa della turbina horicavato un’intercapedine per l’aria, che aumenta lasuperficie di scambio termico.

Dai calcoli effettuati, si vede che con l’ 1-2% della portataglobale del compressore si ottengono riduzioni dellatemperatura di parete di 200-300°C. Ciò consente di aumentarenotevolmente la temperatura di ingresso in turbina.

Dal compressoreDal compressore

Dal compressoreDal compressore

Alla turbinaAlla turbina

Alla turbinaAlla turbina

Sistema di raffreddamento (percorso acqua).Per quanto riguarda il raffreddamento ad acqua, ho realizzato una “camicia” esterna che circonda ilturbocompressore (esclusa la zona del compressore) all’interno della quale scorre il fluido (freccegialle).Facciamo notare che è stato necessario prevedere gli alloggiamenti per gli organi di tenuta, incorrispondenza dell’attacco della turbina e dello scarico del relativo diffusore, di tipo O-Ring(frecce rosse). Inoltre ho disegnato gli attacchi per il carico dell’acqua fredda e lo scarico di quellacalda in corrispondenza delle zone interessate (freccia verde).

ConclusioniConclusioniIl sistema di sovralimentazione studiato appare decisamente Il sistema di sovralimentazione studiato appare decisamente promettentepromettente..

Il lavoro di Il lavoro di dimensionamento della turbinadimensionamento della turbina ha mostrato di aver raggiunto lha mostrato di aver raggiunto l’’obiettivoobiettivoprefissato del compromesso tra buoni rendimenti e relativaprefissato del compromesso tra buoni rendimenti e relativa semplicitsemplicitàà di realizzazionedi realizzazionedei palettamenti.dei palettamenti.

LL’’alberoalbero realizzato si conferma una buona soluzione sia in termini di rorealizzato si conferma una buona soluzione sia in termini di robustezzabustezzadd’’insieme sia in termini dinsieme sia in termini d’’ingombri radiali, che portano la nostra turbina ad avere degliingombri radiali, che portano la nostra turbina ad avere degliingombri nettamente inferiori a quelli del compressore. ingombri nettamente inferiori a quelli del compressore.

LL’’altissima velocitaltissima velocitàà di rotazione del rotore pone in primo piano il problema del di rotazione del rotore pone in primo piano il problema del bilanciamentobilanciamento che andrche andràà eseguito con accuratezza.eseguito con accuratezza.