Albero per gruppo di sovralimentazione aeronautico

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
Obbiettivi generali della tesi
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.
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 gioco
Si 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:
m ⋅f
k
2 =g⋅
i i
1
2
2 ⋅−
m
⋅
f
A
⋅
ϕ
k i i
k i i
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.
Lubrificazione
Per 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 torsionale
212212 rpm
• Velocità critica flessionale
184035 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
Conclusioni
Al 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 ad
un 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 così
possibile l’applicazione di tale tecnologia, anche al campo
automobilistico.