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ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITA' DI BOLOGNA

SECONDA FACOLTA’ DI INGEGNERIACON SEDE A CESENA

CORSO DI LAUREAIN INGEGNERIA AEROSPAZIALE

Classe 10Sede di Forlì

ELABORATO FINALE DI LAUREAIn

Disegno assistito dal calcolatore

STUDIO DI FATTIBILITA’ DEL MONTAGGIO DI UN MOTORE 1600 c.c. AERONAUTICO SUL CASTELLO MOTORE DI UN CESSNA C-172

Candidato Relatore Tommaso Girelli Prof. Ing. Luca Piancastelli

Anno Accademico 2006/2007

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OBIETTIVIOBIETTIVI

FASI DI STUDIO• disegno dell’ ambiente in cui il motore sarà installatodisegno dell’ ambiente in cui il motore sarà installato

• scelta e progettazione di un sistema di montaggioscelta e progettazione di un sistema di montaggio

•installazione degli scambiatori di caloreinstallazione degli scambiatori di calore

• installazione delle tubazioni del circuito dell’ aria, impianto di installazione delle tubazioni del circuito dell’ aria, impianto di lubrificazione, impianto di raffreddamento ad acqua e lubrificazione, impianto di raffreddamento ad acqua e circuito di circuito di ricircolo del gasolioricircolo del gasolio

• centraggio del gruppo motorecentraggio del gruppo motore

dimostrare che l’ installazione del motore è possibile

installazione il più possibile di tipo ‘plug and play’ contenimento dei costi contenimento, quanto più possibile, dei pesi

installati a bordo.

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IL PROPULSOREIL PROPULSORE

6Luca Piancastelli Research Group Università degli Studi di Bologna, ItalyDIEM, II Facoltà di Ingegneria Tel. +39 335 331187 luca.piancastelli@unibo.it

Development statusDesign 70%%I Prototype 0%Design to be completed Dec. 2007

Works with diesel fuel, jet A1, jp4 and jp8

Tecnical DataDispl. 2,000 ccDiesel Common RailNet Output Power 260 HP continuous (300 HP max)Output shaft rpm 2,800 (Aircraft version) 250 (Naval Version)Weight All Inclusive 124 kg(*) (Aircraft version) 140 kg (Naval Version)Dimensions LxWxH (mm) 380x600x600MTBO 2,000 h (Aircraft version) 3,000 h (Naval Version)

(*)with Titanium alloy rods, bolts, rail, turbocharger body and radiators for Cessna 337 engine replacement

Also available for helicopter350 HP max, 3,200 rpm, 125 kg, TBO 900h

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STUDIO PRELIMINARE DI PESI, STUDIO PRELIMINARE DI PESI, POTENZE ED INGOMBRIPOTENZE ED INGOMBRI

• Potenza netta erogata: 260 HP continui @ 2800 rpmPotenza netta erogata: 260 HP continui @ 2800 rpm• Peso complessivo: 124 kgPeso complessivo: 124 kg• Dimensioni: 300 x 600 x 600 mmDimensioni: 300 x 600 x 600 mm

• Potenza massima installabile: 210 HP• Peso massimo installabile sul castello motore: 145 kg

=> margine di 21 kg• Effettuata con successo una prova di ingombro

Alcuni parametri dell’ aeromobile:

Caratteristiche del propulsore:

=> Il motore dispone delle caratteristiche necessarie per un tentativo di installazione

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INTERFACCIA DI MONTAGGIOINTERFACCIA DI MONTAGGIO

• Castello motore originaleCastello motore originale• Smorzatori (Smorzatori (MountsMounts))• ParafiammaParafiamma• CofanoCofano

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INTERFACCIA DI MONTAGGIOINTERFACCIA DI MONTAGGIO

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• Peso del riduttore installato: 9.9 kg

POSIZIONAMENTO DEL MOTORE E POSIZIONAMENTO DEL MOTORE E MONTAGGIO DEL GRUPPOMONTAGGIO DEL GRUPPO TURBO E DEL TURBO E DEL COLLETTORE DI ASPIRAZIONECOLLETTORE DI ASPIRAZIONE

• Fattori considerati per la ricerca della posizione migliore:Fattori considerati per la ricerca della posizione migliore:– Compatibilità con l’ interfaccia di montaggioCompatibilità con l’ interfaccia di montaggio– Posizione relativa tra albero motore e asse elicaPosizione relativa tra albero motore e asse elica– Posizione del baricentro del motorePosizione del baricentro del motore

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POSIZIONAMENTO DEL MOTORE E POSIZIONAMENTO DEL MOTORE E MONTAGGIO DEL GRUPPOMONTAGGIO DEL GRUPPO TURBO E DEL TURBO E DEL COLLETTORE DI ASPIRAZIONECOLLETTORE DI ASPIRAZIONE

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POSIZIONAMENTO DEL MOTORE E POSIZIONAMENTO DEL MOTORE E MONTAGGIO DEL GRUPPOMONTAGGIO DEL GRUPPO TURBO E DEL TURBO E DEL COLLETTORE DI ASPIRAZIONECOLLETTORE DI ASPIRAZIONE

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POSIZIONAMENTO DEL MOTORE E POSIZIONAMENTO DEL MOTORE E MONTAGGIO DEL GRUPPOMONTAGGIO DEL GRUPPO TURBO E DEL TURBO E DEL COLLETTORE DI ASPIRAZIONECOLLETTORE DI ASPIRAZIONE

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SCELTA E PROGETTAZIONE SCELTA E PROGETTAZIONE MONTAGGIO MOTOREMONTAGGIO MOTORE

Materiale: Acciaio 25CrMo4Materiale: Acciaio 25CrMo4 Caratteristiche:Caratteristiche:

- Densità: 7800 kg/m3- Densità: 7800 kg/m3- Modulo di Young: 210000 N/mm^2- Modulo di Young: 210000 N/mm^2- Coefficienti di Poisson: 0,3- Coefficienti di Poisson: 0,3- Sforzo a rottura: 1100 N/mm^2- Sforzo a rottura: 1100 N/mm^2- Sforzo a snervamento: 800 - Sforzo a snervamento: 800

N/mm^2N/mm^2

Individuate due possibili soluzioni: - attacchi testa e carter- attacchi basamento e carter

peso finale del controtelaio: 4,37 kg

Si è scelto di:- utilizzare supporti originali

installati - progettazione di un controtelaio

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SCELTA E PROGETTAZIONE SCELTA E PROGETTAZIONE MONTAGGIO MOTOREMONTAGGIO MOTORE

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SCELTA E PROGETTAZIONE SCELTA E PROGETTAZIONE MONTAGGIO MOTOREMONTAGGIO MOTORE

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CARICHI TRASMESSI DAL MOTORE CARICHI TRASMESSI DAL MOTORE AL CONTROTELAIO (1 di 2)AL CONTROTELAIO (1 di 2)

Carichi considerati:Carichi considerati:• Carichi di massaCarichi di massa• Carichi propulsivi :Carichi propulsivi : - spinta dell’ elica- spinta dell’ elica

- coppia di reazione- coppia di reazione

Caso peggiore: manovra di richiamata e massima potenza di propulsione

Quantificazione dei carichi:• Fattore di carico limite positivo utilizzato: 4.4 (da Normativa CS 23)• Elica tirante ideale: 2 kg-f per ogni HP motore

=> introdotto FS = 1.18 (Tmax_reale non supera 1.64 kg-f per HP motore)

P app. = 5778 NT max = 4119 NM reazione = 56 NmM ribaltamento = 264 Nm

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CARICHI TRASMESSI DAL MOTORE CARICHI TRASMESSI DAL MOTORE AL CONTROTELAIO (1 di 2)AL CONTROTELAIO (1 di 2)

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CARICHI TRASMESSI DAL MOTORE CARICHI TRASMESSI DAL MOTORE AL CONTROTELAIO (2 di 2)AL CONTROTELAIO (2 di 2)

RISULTATI:RISULTATI:Risultanti verticali sugli attacchi:Risultanti verticali sugli attacchi:

V1 = 3413 NV1 = 3413 NV2 = 2437 NV2 = 2437 NV3 = 504 NV3 = 504 NV4 = -846 NV4 = -846 N

Risultati orizzontali sugli Attacchi:Risultati orizzontali sugli Attacchi:O1 = 2412 NO1 = 2412 NO2 = 2412 NO2 = 2412 NO3 = -352 NO3 = -352 NO4 = -352 NO4 = -352 N

reazione. n C n+ P per 1,...,4

ribaltamenton app n M

n n

V P Pn

O T

= +=

=

. . . .

.1 .2 .3 .4 ; ; ; app app app app

app app app app

P b P b P a P af e d c

a b a b a b a bP P P Pe f e f c d c d

+ + + + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + + + += = = = + + + +

Esempio modello:

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VERIFICA DEL CONTROTELAIOVERIFICA DEL CONTROTELAIO

Verifica a rottura con i carichi di Verifica a rottura con i carichi di robustezzarobustezza

• σσmaxmax = 710 N/mm^2 = 710 N/mm^2• FS= 1.5FS= 1.5• σσRR = 1100 N/mm^2 = 1100 N/mm^2

1.033 11.5

rottura

MAX

σσ

= >⋅

=> Struttura verificata

Eseguita una prova statica con mesh solidaElementi: - lunghezza circa 4.01 mm

- tolleranza circa 0.2 mm

Software utilizzato: CosmosWorks 2007®

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ULTERIORI COMPONENTI DI ULTERIORI COMPONENTI DI INSTALLAZIONEINSTALLAZIONE

• Scambiatori di calore:Scambiatori di calore: - radiatore- radiatore- - intercoolerintercooler- radiatore del gasolio- radiatore del gasolio

Misurazioni Volume: Misurazioni Volume: [mm3] [mm3] [m3] [m3]Radiatore Radiatore 12.965 x 10^612.965 x 10^6 0.0129650.012965IntercoolerIntercooler 4.959 x 10^64.959 x 10^6 0.0049590.004959Radiatore gasolio Radiatore gasolio 0.9555 x 10^60.9555 x 10^6 0.000955550.00095555

origine componente:origine componente:• Filtro dell’ ariaFiltro dell’ aria componente originalecomponente originale• Tubo di scaricoTubo di scarico • Serbatorio dell’ olio(2.5 l)Serbatorio dell’ olio(2.5 l) serbatoio olio motore rotax serbatoio olio motore rotax• Serbatorio del gasolio(5 l)Serbatorio del gasolio(5 l) • Tubazioni principaliTubazioni principali• Convogliatori d’ariaConvogliatori d’aria

E’ stato verificato il vincolo sul massimo peso installabile sul E’ stato verificato il vincolo sul massimo peso installabile sul castello motore castello motore

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ULTERIORI COMPONENTI DI ULTERIORI COMPONENTI DI INSTALLAZIONEINSTALLAZIONE

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CENTRAGGIO VELIVOLO 1 di 2CENTRAGGIO VELIVOLO 1 di 2Centraggio lateraleCentraggio laterale

Componenti considerati:Componenti considerati:• MotoreMotore• Serbatoi di olio e gasolioSerbatoi di olio e gasolio• ControtelaioControtelaio• Pacco accumulatoriPacco accumulatori

Si impone che il baricentro delSi impone che il baricentro delgruppo motore appartenga algruppo motore appartenga alpiano di simmetria del velivolopiano di simmetria del velivolo

=>=>

١ ١ . . . .١ ١ ١ ٠g g o o p b p b m m ct ctP b P b P b P b P b⋅ + ⋅ + ⋅ − ⋅ − ⋅ =

. . . .١ ٨٥٠٤ p b p bP b Nmm⋅⋅ =

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CENTRAGGIO VELIVOLO 2 di 2CENTRAGGIO VELIVOLO 2 di 2Centraggio longitudinaleCentraggio longitudinale

Componenti considerati:Componenti considerati:• MotoreMotore• Serbatoi di olio e gasolioSerbatoi di olio e gasolio• ControtelaioControtelaio• RiduttoreRiduttore• Pacco accumulatoriPacco accumulatori

E’ stato imposto un momentoE’ stato imposto un momentoMvm del gruppo rispetto alMvm del gruppo rispetto alparafiammaparafiamma

٦٥٨٢٢٠ ٦٥٨,٢٢ ٦٧,١٢ VMM kg m Nm Nmm⋅= − ⋅ = − = −

٢ ٢ ٢ . . . .٢ ٢ ٢ct ct g g m m p b p b o o rid rid VMP b P b P b P b P b P b M− ⋅ − ⋅ − ⋅ − ⋅ − ⋅ − ⋅ =

=> . . . .٢ ٥٨٩٦٩p b p bP b Nmm⋅⋅ =

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PACCO ACCUMULATORIPACCO ACCUMULATORICon le due condizioni imposte dal centraggio, tramite un processoCon le due condizioni imposte dal centraggio, tramite un processoiterativo, si è risaliti a delle caratteristiche per il pacco accumulatoriiterativo, si è risaliti a delle caratteristiche per il pacco accumulatori

Data sheet: Data sheet: batteria al piombobatteria al piombo• Capacità: 45 AhCapacità: 45 Ah• Tensione: 12 VTensione: 12 V• Dimensioni: 198 x 166 x 174 mmDimensioni: 198 x 166 x 174 mm• Peso: 15 kgPeso: 15 kg

e la sua disposizione nell’ installazione:e la sua disposizione nell’ installazione:

=> eseguita con successo la verifica all’ interferenza=> eseguita con successo la verifica all’ interferenza

. .١

. .٢

٥٧.٨ ٥٨٤٠١.١ ٤٠١

p b

p b

b mm mmb mm mm

= =

;;

. . . .1

. . . .2

8504 58969

p b p b

p b p b

P b NmmP b Nmm

⋅

⋅

⋅ = ⋅ =

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CONCLUSIONICONCLUSIONI1.1. l’ installazione del nuovo propulsore è fattibilel’ installazione del nuovo propulsore è fattibile

1.1. l’ aeromobile non necessita di nuove certificazioni aeronautichel’ aeromobile non necessita di nuove certificazioni aeronautiche

1.1. l’ installazione così realizzata si può definire di tipo l’ installazione così realizzata si può definire di tipo plug and playplug and play, fatta eccezione , fatta eccezione per gli scambiatori di calore e pacco acculatoriper gli scambiatori di calore e pacco acculatori

1.1. il ricorso a componenti già montati nelle installazioni esistenti è stato il ricorso a componenti già montati nelle installazioni esistenti è stato massimizzato; dunque la tendenza è quella di una riduzione dei costi di massimizzato; dunque la tendenza è quella di una riduzione dei costi di installazioneinstallazione

1.1. si è verificato che non è stato superato il peso delle precedenti installazionisi è verificato che non è stato superato il peso delle precedenti installazioni

1.1. infine, combinando l’ affermazione 3 e 4 è possibile osservare che la tendenza infine, combinando l’ affermazione 3 e 4 è possibile osservare che la tendenza procede anche verso una riduzione dei tempi di installazione.procede anche verso una riduzione dei tempi di installazione.

SVILUPPI FUTURISVILUPPI FUTURI• modifica del carter: modifica del carter: - riscontrata interferenza con i supporti (risolta)- riscontrata interferenza con i supporti (risolta)

- per consentire un miglior recupero dell’ olio- per consentire un miglior recupero dell’ olio(non previsto il posizionamento orizzontale)(non previsto il posizionamento orizzontale)

• progettazione dell’ installazione definitiva.progettazione dell’ installazione definitiva.

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CONCLUSIONICONCLUSIONI

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RINGRAZIAMENTIRINGRAZIAMENTIGRAZIE A TUTTI PER AVERMI ASCOLTATO …GRAZIE A TUTTI PER AVERMI ASCOLTATO …

Si ringraziano per l’ aiuto e la collaborazione:Si ringraziano per l’ aiuto e la collaborazione:Prof. Ing. Luca PiancastelliProf. Ing. Luca PiancastelliIng. Gianmichele BertiniIng. Gianmichele Bertini((Dott.Dott. ??) Emanuele Luigi de Angelis ??) Emanuele Luigi de AngelisIng. Roberto GirelliIng. Roberto GirelliTutto il gruppo di lavoro Tutto il gruppo di lavoro DieseljetDieseljet ed ed AernovaAernova

DEDICATODEDICATOai miei genitoriai miei genitoria nonna Robertaa nonna Roberta

ed un caro pensiero ai nonni Giovanni, Umberto e Carmened un caro pensiero ai nonni Giovanni, Umberto e Carmen