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Studio di fattibilità di un basamento con testate integrali per un motore aeronautico

RELATORE:

Prof. Ing. Luca Piancastelli

CORRELATORI:

Prof.Ing.FRANCO PERSIANI

Prof. Ing.GIANNI CALIGIANA

Prof. Ing. LUCA TOMMESANI

Prof. Ing. ALFREDO LIVERANI

Dott.Ing.GIAMPAOLO CAMPANA

CANDIDATO:CANDIDATO:

Fabrizio Fabrizio PandolfiniPandolfini

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Impostazione del problema

Obiettivo generale: valutare la fattibilitObiettivo generale: valutare la fattibilitàà di un di un motore alternativo aeronautico di motore alternativo aeronautico di ““grande grande

potenzapotenza”” (1470 (1470 kWkW -- 2000 CV)2000 CV)

Si è partiti da un motore “storico”: il DBSi è partiti da un motore “storico”: il DB--605 605 (1176 (1176 kWkW -- 1600 CV ) a 2800 1600 CV ) a 2800 rpmrpm, 12 cilindri a , 12 cilindri a V rovesciato, 35000 V rovesciato, 35000 cccc, aspirato a terra con , aspirato a terra con compensazione automatica della quota compensazione automatica della quota mediante compressore centrifugo azionato da mediante compressore centrifugo azionato da giunto idraulico, iniezione meccanica del giunto idraulico, iniezione meccanica del carburante.carburante.

Il motore originale aveva un grave difetto di Il motore originale aveva un grave difetto di durata (circa 30 h) dovuto alla costruzione del durata (circa 30 h) dovuto alla costruzione del basamento in 3 parti con camicie avvitate di basamento in 3 parti con camicie avvitate di collegamento.collegamento.

L’obiettivo di un motore moderno competitivo L’obiettivo di un motore moderno competitivo rispetto ai turbogas è di circa 3000 h (MTBO, rispetto ai turbogas è di circa 3000 h (MTBO, MeanMean Time Time BetweenBetween OverhaulOverhaul).).

ghiera

Camicia avvitata

Bancata cilindri

DB 605

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Obiettivo della tesi• Individuazione delle soluzioni per garantire i

requisiti fondamentali

• Realizzazione del basamento tramite modellazione CAD (Solid Edge 12)

• Ottimizzazione del processo fusorio del basamento attraverso la modellistica di solidificazione assistita al calcolatore (Solid Cast)

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•Integrazione del basamento con i gruppi dei cilindri al fine di eliminare il collegamento tramite camicie e ghiere; •Studio di una geometria CAD che agevoli il processo fusorio e “scelta” del materiale da impiegare•Sistemazione delle candele sulla parte più esterna dei cilindri;•Estensione dei coperchi di chiusura del motore;•Studio delle forze nel riduttore e scelta dei cuscinetti;

Modifiche al basamento

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Quesiti��E’ REALIZZABILE LA FUSIONE IN LEGA LEGGERA , E’ REALIZZABILE LA FUSIONE IN LEGA LEGGERA , CANNE CROMATE, TESTATE INTEGRALI DI UN CANNE CROMATE, TESTATE INTEGRALI DI UN COMPONENTE COMPLESSO COME UN BASAMENTO COMPONENTE COMPLESSO COME UN BASAMENTO MOTORE CON RIDOTTE SEZIONI E DIMENSIONI MOTORE CON RIDOTTE SEZIONI E DIMENSIONI ELEVATE? (Si, ma con grandi difficoltà e con dubbi sulla ELEVATE? (Si, ma con grandi difficoltà e con dubbi sulla qualità finale del prodotto)qualità finale del prodotto)

��EE’’ realizzabile la fusione in ghisa CGI di un realizzabile la fusione in ghisa CGI di un componente complesso come un basamento motore componente complesso come un basamento motore con testate integrali con ridotte sezioni e dimensioni con testate integrali con ridotte sezioni e dimensioni elevate? elevate? (Probabilmente si, ma da verificare)(Probabilmente si, ma da verificare)

Simulazione con SOLIDCAST

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Soluzione pensataLa drastica eliminazione del numero complessivo di componenti

del motore rappresenta una scelta decisiva per garantire l’affidabilità ed una corretta manutenzione di un motore

aeronautico

L’utilizzo della ghisa a grafite compatta, permette tramite la simulazione al calcolatore delle sollecitazioni sul basamento

motore, una progettazione a vita infinita oltre ad offrire elevata rigidezza

La scelta di questo materiale permette l’adozione di canne integrali per i cilindri garantendo un corretto smaltimento del

calore, cosa che non si riusciva ad ottenere nella versione originale del motore

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Complessivo del manovellismo di spinta

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Complessivo del motore

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Problematiche connesse con la fusione del basamento

La fusione di un componente di queste dimensioni con sezioni ridotte collegate ad altre di spessore elevato, comporta gravi problemi durante il processo fusorio.

Si possono avere delle zone all’interno della forma, nelle quali non affluisce il metallo fuso perché bloccato da altro metallo in parte già raffreddato.

Durante il raffreddamento, a causa della diminuzione di volume specifico del materiale, si possono avere delle zone di tensionamento all’interno del materiale, che

possono causare rotture del basamento.

Queste possono innescarsi sia durante il processo di raffreddamento, perché il materiale non ancora completamente solido non reagisce alle sollecitazioni, sia con il

basamento in opera a causa delle elevate tensioni residue.

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I fase test su Solid Cast con modello semplificato

Problemi riscontrati: la reticolatura completamente automatica non consente un controllo delle dimensioni degli elementi (soltanto generale) e induce errori nella rappresentazione della geometria, omettendo delle parti quando non riesce ad effettura la reticolatura

Convergenza estremamente lenta anche con particolari semplici

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risultati

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Variazione di temperatura nel modello

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II Fase tentativo di simulazione del basamento completo

Non è stato possibile introdurre i canali di colata ed eventuali raffreddatori. Non è stato possibile completare la simulazione perché soltanto il raffreddamento da

1500°C a 1167°C ha richiesto 36 ore di calcolo

IL SOFTWARE NON E’ IN GRADO DI EFFETTUARE LA SIMULAZIONE

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III FASE: semplificazione del modelloRisultati ottenuti con un modello cad

meno complessoSi è scelto di simulare in modo più preciso il raffreddamento di un solo cilindro, al fine di valutare la presenza di possibili difetti nel materiale dopo raffreddamento.

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Visualizzazione possibili difetti di porosità

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Conclusioni

La simulazione del processo di riempimento del singolo cilindro garantisce che il metallo fuso riempirà completamente la forma nonostante gli esigui spessori presenti nel modello.

Il valore della densità del materiale è superiore al 97% in tutta la geometria, valore che con un’opportuna modifica del modello cad può ulteriormente essere aumentato.

L’estensione di questi risultati al basamento motore non è possibile dato che ha un’altezza complessiva molto superiore a quella del cilindro singolo e dunque non si ha la certezza che il metallo fuso occupi tutte le cavità della forma.

L’unica simulazione effettuata sul basamento mette in luce i problemi legati all’accumulo di calore negli appoggi delle bronzine di banco, che comportandosi da accumulatori di calore, provocano elevate differenze nelle velocità di raffreddamento del grezzo fuso.