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

Obiettivo della tesi

Modellazione tridimensionale al CAD partendo dall’oggetto originale

Verifica termica e meccanica del componente con gli elementi finiti

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

Testata smontata e pulita

Ingombri di massima:

lunghezza 1076 mm, larghezza 220 mm, altezza massima 172 mm

testata sezionata condotti di scarico illuminati

condotti d’aspirazione illuminatipiano distribuzione

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

Prove di durezza

• Durezza rilevata83 HRF ~ 46 HRB

• Valori notevolmente variabili

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)

Liquidi penetranti:

1) pulizia preliminare2) applicazione del penetrante:3) rimozione del penetrante in eccesso:4) applicazione dello sviluppatore bianco5) ispezione6) esito

individuata una cricca

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

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

Modellazione con Solid Edge

Modellazione con Solid Edge

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

Carichi termici

Combustione

Contatto valvola d’aspirazione

Contatto valvola di scarico

Olio

Condotto d’aspirazione

Condotto di scarico

Refrigerante

Contatto candela

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

Sedi e guide valvola

Bilancio dei flussi termiciGrandezze mediate nel tempo,variabili nello spazioScambio valvola chiusa-aperta,funzione della p. di contatto

[Garro]

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)

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

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®

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

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.

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.

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.