STUDIO DI UN GRUPPO TURBOCOMPRESSORE PER MOTORE DA ELICOTTERO V8 3,8L DIESEL - Candidato: Piancastelli

STUDIO DI UN GRUPPO
   TURBOCOMPRESSORE
PER MOTORE DA ELICOTTERO
      V8 3,8L DIESEL
    Candidato:                         Relatore:

 Lorenzo Zangheri             Prof. Ing. Luca Piancastelli

 Università di Bologna – Seconda Facoltà di Ingegneria
            A.A. 2009/2010 - 23 marzo 2011
                                                             1

Scopo della tesi:

    Studiare un gruppo
turbocompressore adatto
 alla sovralimentazione di
  un motore 8 cilindri a V
    3.8 litri di cilindrata
     alimentato a diesel
destinato alla propulsione
        elicotteristica

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Sviluppo dello studio:
    Analisi delle caratteristiche e delle condizioni di
    funzionamento relative al motore per cui si deve
           dimensionare il turbocompressore

       Determinare se tra i prodotti attualmente
              in commercio esiste un
          gruppo turbocompressore idoneo

    In caso di mancata corrispondenza si procederà
        allo sviluppo ex-novo di un gruppo avente
                 le caratteristiche richieste

.                                                         3

Motore oggetto dello studio:

• Numero cilindri, disposizione: 8 a V di 90°
• Alesaggio e corsa (mm): 82 x 90,4
• Cilindrata (cc): 3819
• Rapporto di compressione: 18,5:1
• Potenza max: 400 CV
• Rpm: 4000 giri/min (costanti)
• Alimentazione: Diesel ad iniezione diretta common rail, multijet
• Impianto di turbo-sovralimentazione con inter-refrigeratore.
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         Parametri necessari al
    dimensionamento del compressore:
           Flusso d'aria elaborato dal compressore (Actual Air flow):

    Pressione richiesta all'aspirazione per raggiungere la potenza desiderata
                     (Manifold Absolute Pressure Required):

         Rapporto di compressione del compressore (Pressure ratio):

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                  Calcolo dei parametri:
                Dai dati in mio possesso è quindi possibile calcolare:

    Potenza del motore = 400 [HP]
    A/F = 22:1
    BSFC = 0,38 [lb/HP·hr]

    R = 639,6
    Tm = 130 [F]
    VE = 0,98
    N = 4000 [RPM]
    Vd = 3,819 [L] · 61,02 = 233,1 [C.I.]

    P2c = MAP + DPlos2 = 46,03 + 2 = 48,03 [psia]
    P1c = Pamb – DPlos1 = 14,7 – 1 = 13,7 [psia]

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Procedo con la consultazione
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        del catalogo Garrett:

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      Scelta del compressore:
      Dall'analisi delle offerte risultano due opzioni possibili
          che restituiscono valori del rendimento pari a:

                          h  GT4294R    = 74 %

                          h  GTX4294R   = 71 %

         Data la differenza trascurabile tra i rendimenti
           si analizza un parametro molto importante
         per un velivolo ovvero la quota di ristabilimento.

    Con il termine quota di ristabilimento si intende l'altitudine
    alla quale la pressione di alimentazione del motore dotato
     del compressore eguaglia la pressione di alimentazione
          del motore non sovralimentato al livello del mare

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         Quota di ristabilimento:
         Dalle mappe mostrate è possibile rilevare i rispettivi
             valori dei massimi rapporti di compressione:

                            P      cmax GT4294R =    4,1

                            P      cmax GTX4294R =   4,9

    Mentre per entrambi il rapporto di compressione reale è pari a:

                               P      creale =   3,51
    Facendo alcune considerazioni sul funzionamento del motore
           è possibile utilizzare la seguente equazione:

      Pcreale· r0 = Pcmax· rrist                    rrist = r0 ·(Pcreale/Pcmax)

                                                                                  9

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             Quota di ristabilimento:
    Dai due gruppi sono quindi ottenuti differenti valori di densità e quota:

            rrist GT4294R = 1,05 [kg/m3]      Hrist GT4294R ≈ 1500 [m]
            rrist GTX4294R = 0,87 [kg/m3]     Hrist GTX4294R ≈ 3500 [m]

                                                                                10

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           Verifica compressore:
    La scelta propende quindi per il compressore più spinto dei due
       ovvero il GTX 4294R di cui si calcola la potenza assorbita:

              Sostituendo i dati nell’equazione si ottiene:

                                                     Pc= 77,05 [kW]

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Verifica della turbina:
Per verificare la turbina è necessario imporre due importanti condizioni:

           La portata in massa di gas elaborata dalla turbina
            deve essere uguale alla portata in massa di aria
                       elaborata dal compressore:

          La potenza generata dalla turbina deve essere pari
               alla potenza assorbita dal compressore:

                               Pt = Pc

                                                                        12

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    Rapporto di espansione:
         Per il calcolo del valore del rapporto di
        espansione in turbina si sfrutta la formula:

     Inserendo i relativi valori dei parametri si ricava:

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Flusso corretto di gas
elaborato dalla turbina:

     Dal grafico è restituito un valore pari a:

Corrected Gas Turbine Flow = 44 [lb/min]
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Pressione di scarico:
È possibile quindi procedere con il calcolo della pressione
      alla quale vengono espulsi i gas dalla turbina:

           Dalla formula specificata si ottiene:

Actual flow = 55,73 [lb/min] = 25,27 [kg/min] = 0,42 [kg/s]
Gas T = 800 [°C] = 1073 [K]
Corrected Gas Turbine Flow = 44 [lb/min]
Baro = 14,7 [psi]

           EMP = 17,3 [psi] = 1,19 [bar]

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Conclusioni:
   Analizzando i valori ottenuti dai calcoli e
     dai grafici è possibile concludere che
    il gruppo turbocompressore GTX4294R
prodotto dalla Garrett rispecchia pienamente
    quelle che sono le esigenze di progetto.
  Non è quindi ritenuto opportuno procedere
  con la progettazione ex-novo di un gruppo.
 Si può così considerare concluso il progetto,
  affidando la sovralimentazione del motore
          oggetto dello studio al gruppo
            turbocompressore citato.

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Grazie a tutti
per la cortese attenzione

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