Progettazione e realizzazione di un albero per un gruppo di

sovralimentazione per uso aeronautico

Questo lavoro si inserisce nel progetto di un sistema di sovralimentazione ad altissimo rapporto di

compressione per uso aeronautico.

Tale progetto intende raggiungere i seguenti risultati:• Aumentare il rapporto potenza/peso del motore• Elevare il rapporto di compressione per elevare la

quota di ristabilimento a parità di potenza• Assicurare l’affidabilità del motore per 1800h• Creare un prototipo di turbocompressore per la

sperimentazione

L’obbiettivo della mia tesi era quello di progettare e realizzare un albero, per un gruppo di sovralimentazione,

che si adattasse alla girante di un compressore, preventivamente progettata e realizzata, predisposto

all’accoppiamento con una turbina non ancora realizzata.

Ulteriore obbiettivo era quello di sostituire, in fase progettuale, i classici cuscinetti a strisciamento (bronzine) con cuscinetti a sfere.

Obbiettivi generali della tesi

Diagramma di flusso per il dimensionamento dell’albero

Dimensionamento di tentativo dell’albero

Per alberi sottoposti ad elevate velocità di rotazione ed a bassi valori di sollecitazioni flessionali e torsionali, si imposta il progetto prendendo come punto di riferimento fondamentale le velocità critiche.

Una volta determinate la dimensioni definitive dell’albero, si provvederà alle opportune verifiche di resistenza.

Analisi schematica dello sviluppo logico del progetto

• Valutazione dei parametri in gioco

• Dimensionamento dell’albero in relazione alle velocità critiche flessionali e torsionali

• Scelta dei cuscinetti

• Verifica di resistenza dell’albero

Valutazione dei parametri in giocoSi possono dividere i parametri in gioco in due categorie:

Parametri di natura geometrica

• Lunghezza totale dell’albero• Lunghezza degli sbalzi, lato compressore e lato turbina, riferiti ai baricentri

delle giranti• Diametri relativi alle suddette lunghezze• Lunghezza dei tratti corrispondenti ai cuscinetti (appoggi)• Diametri dei cuscinetti

Parametri caratteristici delle giranti

• Peso delle giranti (turbina e compressore)• Momenti d’inerzia delle giranti

Dimensionamento dell’albero in relazione alle velocità critiche

flessionali e torsionali

Questa parte del lavoro è stata sviluppata impostando un foglio di calcolo all’interno del quale, variando uno qualsiasi dei parametri visti in precedenza, si ottiene come risultato il valore delle velocità critiche flessionali e torsionali, in base alle metodologie che verranno analizzate ora, riferendoci alla dinamica del rotore

Velocità critiche flessionali

Nella determinazione delle velocità critiche flessionali, occorre tenere conto dell’effetto dell’inerzia trasversale delle masse.

La determinazione della prima velocità critica flessionale viene effettuata mediante il procedimento di iterazione(metodo di Stodola)

Metodo di Stodola

Si è scelto di utilizzare il Metodo di Stodola, in quanto è un metodo ben consolidato che permette, tramite i suoi indici, di sapere se si è sufficientemente lontani dalla prima velocità critica.

Formula della prima velocità critica calcolata col metodo di Stodola:

� ⋅−� ⋅⋅

� ⋅⋅=

k2iiAk

2ifim

k ifimg2

1� ϕ

Velocità critiche torsionali

La determinazione della prima velocità critica torsionale si fa considerando l’albero a sezione non uniforme, dinamicamente equivalente ad uno di sezione uniforme e lunghezza tale da avere la stessa rigidezza torsionale. Infine viene considerata l’influenza dei raccordi sulla rigidezza torsionale.

Si termina il dimensionamento in base alle velocità critiche,

ricordando che l’obbiettivo è quello di far lavorare l’albero in condizioni

di subcriticità, ovvero, ad una velocità inferiore della prima critica

Verifica di resistenza

Si analizzano le sollecitazioni in gioco, schematizzando il rotore come un albero privo di massa, con i pesi delle due giranti considerati come forze esterne.

E’ evidente come l’albero sia sottoposto fondamentalmente a due tipi di sollecitazioni:

• una flessione alternata determinata dai pesi delle giranti sull’albero rotante

• un momento torcente pulsante dovuta al fatto che l’energia trasmessa dal fluido alle pale della turbina non è costante in un ciclo.

Verifica di resistenza

Risulta però evidente come le sollecitazioni in gioco siano estremamente ridotte, avendo carichi concentrati dell’ordine di qualche N, ed avendo una velocità di rotazione talmente elevata da determinare, con le potenze in gioco trasmesse all’albero dell’ordine di alcune decine di KW, momenti torcenti sullo stesso molto bassi.

In definitiva si può affermare come sia superfluo verificare la resistenza di un albero in acciaio sollecitato in questo modo, potendone garantire a priori la resistenza.

Scelta dei cuscinetti

Avendo giranti di elevato diametro, quindi con elevate inerzie e risposte lente alle variazioni di potenza, e lavorando, inoltre, a regimi di rotazione inferiori, rispetto a quelli di un turbocompressore automobilistico (circa 160000 rpm anziché circa 220000 rpm) si possono utilizzare, in luogo delle classiche bronzine, cuscinetti a sfere, ceramici a pieno riempimento.

Dopo una lunga ed infruttuosa ricerca di mercato tra le ditte costruttrici di cuscinetti, che si sono dimostrate scarsamente interessate e poco disponibili a fornirci informazioni e supporto, si è deciso di utilizzare gli stessi cuscinetti di un turbojet già esistente, il KJ66, il cui regime massimo di rotazione (140000 rpm) è vicino al nostro.

Vantaggi dei cuscinetti a sfere

Con il motore al minimo, e quindi con bassissimi regimi di rotazione della turbina, le bronzine agiscono come una sorta di tappo al passaggio dell’olio, tendendo, quindi, ad inchiodarsi, per la scarsa lubrificazione.

Questo fenomeno è accentuato dall’utilizzo, in aeronautica, di oli molto fluidi, per ovviare alle difficili condizioni ambientali che si possono incontrare, ma dal ridotto effetto lubrificante.

Vantaggio dei cuscinetti a sfere è di non soffrire di questo fenomeno.

Tale vantaggio è di grande importanza per gli aerei di piccola taglia, cui si rivolge questo progetto, in quanto, nei grandi aeroporti, sono frequenti le lunghe attese al minimo, prima della partenza.

LubrificazionePer la lubrificazione di tali cuscinetti verranno

utilizzati vapori d’olio, ovvero, verrà spillata, mediante un foro sulla girante del compressore, una certo quantitativo di aria, in cui verranno nebulizzate piccole quantità di olio.

Si avrà, quindi, un certo consumo di olio, che può essere ritenuto irrilevante poiché quantificabile in pochi grammi all’ora.

• Velocità critica torsionale212212 rpm

• Velocità critica flessionale184035 rpm

Questa soluzione ha un valore indicativo e andrà rivista compatibilmente alle caratteristiche del blocco centrale e alle specifiche del prototipo della turbina.

Indici di Stodola• Velocità massima di rotazione: 167000 rpm

• Flessionale: Nfless/Nmax = 1,10

• Torsionale: Ntors/Nmax = 1,27

Sulla base dell’ esperienza, si può affermare che, tali valori, sono accettabili.

Realizzazione dell’albero

Trattandosi di un prototipo, si è deciso di realizzare l’albero utilizzando un comune tornio manuale, ovviamente, considerate le strette tolleranze richieste dal tipo di utilizzo, per la realizzazione dell’albero definitivo, sarà necessario utilizzare un tornio a controllo numerico.

Alcune fasi della lavorazione

ConclusioniAl termine dello studio e della realizzazione dell’albero, si

può affermare che la soluzione di utilizzare cuscinetti a sfere, è applicabile a livello ingegneristico.

La scelta di utilizzare i cuscinetti della KJ66, ha costretto adun leggero sovradimensionamento del diametro dell’albero.

Uno dei possibili sviluppi futuri, potrebbe essere quello di rivedere tale progetto in relazione alla continua evoluzione della tecnologia dei cuscinetti a sfere, onde raggiungere regimi di rotazione ancora più elevati, rendendo cosìpossibile l’applicazione di tale tecnologia, anche al campo automobilistico.