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STUDIO PRELIMINARE DI UN MOTORE TURBOGAS PER ELICOTTERI ULTRALEGGERI E

SVILUPPO DI UN COMPRESSORE CENTRIFUGO AD ALTE PRESTAZIONI

TESI DI LAUREA

In DISEGNO ASSISTITO AL CALCOLATORE

CANDIDATOTaccioli Gianni

RELATOREProf. Ing. Piancastelli Luca

CORRELATOREDott. Ing. Guidazzi Filippo

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Introduzione Introduzione al Progetto Small Gas Turbine

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Introduzione Introduzione al Progetto Small Gas Turbine

Primo Obiettivo:Dimensionamento preliminare di un motore turbogas di piccola taglia destinato a motorizzare un elicottero ultraleggero.

Secondo Obiettivo:Progettazione di un compressore centrifugo per il turbogas obiettivo e definizione del ciclo di ottimizzazione tramite metodi FEM e CFD.

Ulteriori Obiettivi:Implementazione di un software che riassuma il processo di dimensionamento del motore turbogas e del compressore centrifugo.

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Introduzione Pianificazione del Progetto

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IntroduzioneSmall Gas Turbine Esistenti

Allo scopo di definire le specifiche obiettivo è stato effettuato uno studio dei turbogas di piccola taglia esistenti.

I risultati emersi hanno permesso di scegliere come modello di confronto il Solar T62T-32.

Reverse Engineering1 Turbine Inlet Temperature

Potenza nominale @ 61000 rpm 112 kW

Stadio di compressione centrifugo β= 3.7

Stadio di turbina radiale TIT1=750°C

Combustore anulare con inversione di flusso

Peso 50 kg

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IntroduzioneDimensionamento Preliminare TurboGas

Implementazione di un software in codice Matlab per il dimensionamento preliminare del Turbogas.

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IntroduzioneDimensionamento Preliminare TurboGas

Implementazione di un software in codice Matlab per il dimensionamento preliminare del Turbogas.

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IntroduzioneDimensionamento Preliminare TurboGas

Implementazione di un software in codice Matlab per il dimensionamento preliminare del Turbogas.

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IntroduzioneRisultati del Dimensionamento Preliminare

Solar T62T-32 New TG

Layout monoalbero monoalbero

Potenza 112 kW 156 kW +39%

Rapporto di compressione 3.7 6 +62%

Temperatura ingresso turbina 750°C 800°C +7%

Portata massica aria 1 kg/s 1.20 kg/s +20%

Rendimento stimato 16% 19% +3%

Solar T62T-32

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IntroduzioneCentrifugal Compressor Design: Work-Flow

Fluent

CCD

Femap/Nastran

CAD/Solid Edge

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IntroduzioneDimensionamento del Compressore Centrifugo

Implementazione di un software in codice Matlab per il dimensionamento preliminare del Compressore Centrifugo.

Conroe 04

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Introduzione Presentazione dei Risultati della Progettazione

Compressore Centrifugo: Conroe 04Rapporto di compressione

β=6

Portata Massica 1.20 kg/sVelocità di rotazione 54200 rpmRaggio 100 mmBackswept vanes 35°Numero pale 12 full blades

12 splitter bladesMateriale Ti-6Al-4V

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IntroduzioneCalcolo Strutturale FEM

L’utilizzo di software FEM ha permesso il calcolo accurato dello stato tensionale dovuto alla forze centrifughe e dei modi propri di vibrare della girante.

L’utilizzo di simmetrie cicliche ha ridotto drasticamente i tempi di calcolo.

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IntroduzioneCalcolo Strutturale FEM

Lo studio FEM sulla girante del motore Solar T62 ha permesso un calcolo del coefficiente di sicurezza pari a 1.2.

Solar T62T-32: Von Mises Stress causate dalle forze inerziali.

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IntroduzioneCalcolo Strutturale FEM

Lo studio FEM sulla nuova girante Conroe-04 ha messo in evidenza le componenti flessionali dovute alle palettature backswept.Il coefficiente di sicurezza è di 1.2.

Conroe-04: Von Mises Stress causate dalle forze inerziali.

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IntroduzioneCalcolo Strutturale FEM

Formulazione di Blevins:

Analisi Modale

Mode 1: 3430 Hz

Flapping modal shape.

Solar T62T-32

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Campbell Diagram: Conroe Compressor Impeller

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000

RPM

frequ

ency

[Hz]

1 EO

2 EO

3 EO

4 EO

5 EO

6 EO7 EO

8 EO

9 EO

10 EO

1° mode2° mode

IntroduzioneCalcolo Strutturale FEM

Frequenze modali di flapping della girante Conroe-04.

Analisi Modale

Mode 1: 3430 Hz

Flapping modal shape.

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IntroduzioneCalcolo TermoFluidoDinamico

Scopo dell’analisi CFD:

• Implementazione di un Validate Case: Compressore di Eckardt (1976).

•Definizione di un protocollo interno e Best Practices per CFD applicata alle turbomacchine radiali.

•Verifica del programma di progettazione monodimensionale CCD.

Eckardt Rotor

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IntroduzioneCalcolo TermoFluidoDinamico

Volume fluido del rotore di Eckardt Eckardt Rotor

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IntroduzioneCalcolo TermoFluidoDinamico

L’analisi CFD ha permesso di aumentare le conoscenze della fluidodinamica delle turbomacchine.

La validazione del software CCD ha confermato il dimensionamento preliminare.

Lo studio ha permesso di quantificare l’aumento del numero di Mach relativo in ingresso, causato dalle pale, rispetto ai calcoli monodimensionali.

Static Pressure Contour: Eckardt Rotor.

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IntroduzioneConclusioni

Il dimensionamento preliminare del motore turbogas ha permesso di definire un motore adeguato alle applicazioni di elicotteri ultraleggeri, andando a colmare la lacuna di propulsori generata dal mercato specializzato. La comparazione con il motore Solar T62T-32 evidenzia la concreta possibilità di miglioramento.

La progettazione del compressore centrifugo ha permesso la definizione della geometria completa della girante radiale in grado di soddisfare il target di rapporto di compressione, portata massica e di resistenza meccanica.

La definizione di un protocollo interno per lo studio CFD e l’implementazione del Validate Case di Eckardt ha consentito di acquisire conoscenze fondamentali per gli sviluppi futuri.

L’implementazione del software in Matlab ha permesso ottimizzare l’attività di design preliminare.

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IntroduzioneSviluppi Futuri

Sviluppo Turbogas:

• Dimensionamento di diffusore, combustore e turbina.• Integrazione modulare software in codice Matlab.

Compressore Centrifugo:• Ottimizzazione CFD.• FEM:

• Carichi Termici.• Carichi Aerodinamici.

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IntroduzioneRiferimenti

Bibliografia essenziale:• Introduction to Turbomachinery, Japikse, Baines.• Centrifugal Compressor Design and Performance, Japikse.• Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery, Dixon.• The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines, Wilson, Korakianitis.• Gas Turbine Theory, Rogers, Cohen, Saravanamuttoo• Detailed Flow Investigation Within a High-Speed Centrifugal Compressor Impeller, Eckardt.• Turbomachiney-Design and Theory, Gorla, Khan.• Centrifugal Compressor Design, Came, Robinson.• The current state of research and design in centrifugal compressor, Came.• Small Radial Compressors Aerodynamic Design and Analysis, Ismail, Rosolen.

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