Effetto del carico termico

Uno studio preliminare è stato effettuato sull’ugello non raffreddato AVG mediante due analisi statiche consecutive introducendo dapprima soltanto i carichi meccanici e successivamente quelli termici, come schematicamente rappresentato in Figura 3.9.

Figura 3.9 - Rappresentazione di un ciclo di carico a due step

La tensione equivalente di Von Mises 𝜎_𝑖𝑑 relativa primo step è mostrata nella Figura 3.10 adimensionalizzata con un generico valore della tensione scelto per ottenere una maggiore chiarezza delle immagini; le zone grigie adiacenti a quelle blu indicano valori di tensione minori dell’11% della tensione di riferimento. La Figura 3.11 mostra invece la 𝜎_𝑖𝑑 relativa allo step finale e nell’immagine sono state evidenziate le zone maggiormente sollecitate. Questa analisi è stata effettuata utilizzando un modello con una mesh di primo tentativo che, successivamente, è stata raffinata nelle regioni critiche sia per confermare i risultati ottenuti, cioè controllare la convergenza di spostamenti e tensioni, che per analizzare accuratamente le zone potenzialmente limitanti per la vita del componente.

33 È utile analizzare anche i grafici relativi alla tensione principale massima 𝜎1 per distinguere meglio le zone dell’ugello in tensione, dato che stress di compressione tendono a chiudere le eventuali cricche di fatica che si dovessero formare, o perlomeno ad ostacolarne la propagazione, [8]. La 𝜎₁ è stata adimensionalizzata con lo stesso valore utilizzato per la 𝜎_𝑖𝑑 e le regioni in compressione sono quelle colorate in blu nella Figura 3.12.

Figura 3.10 - Tensione equivalente di Von Mises nell’ugello non raffreddato AVG dovuta a carichi meccanici

Figura 3.11 - Tensione equivalente di Von Mises nell’ugello non raffreddato AVG dovuta a carichi termomeccanici

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Figura 3.12 - Tensione principale massima nell’ugello non raffreddato AVG dovuta a carichi termomeccanici

Da questi risultati è evidente che il principale contributo alle tensioni nell’ugello è dovuto a carichi di origine termica. Le tensioni nascono dai gradienti locali di temperatura e dal fatto che alcuni spostamenti sono impediti o ostacolati; questo è ciò che accade in particolar modo in corrispondenza del vincolo di antirotazione imposto all’hook esterno dell’ugello (indicato con la lettera I nel paragrafo 2.2). Sulle foglie l’espansione delle zone calde è impedita dal materiale a temperatura più bassa che le circonda; per questo motivo la pressure side risulta in compressione mentre il materiale lontano, più freddo, viene forzato a espandersi provocando tensioni di trazione.

Con riferimento a quanto definito nel paragrafo 2.3, nella Figura 3.13 è mostrata la pressione agente sulle superfici di contatto in presenza del carico termomeccanico: si può notare che parte delle superfici risultano scariche con il contatto localizzato solo in alcune regioni. Questo comportamento giustifica la scelta di contatti non lineari anziché lineari (nei quali è impedito ogni spostamento relativo) che avrebbero forzato il contatto bilaterale lungo tutta l’estensione.

35 Nella Tabella 3.1 sono riportati i contributi di origine meccanica e termica alle reazioni vincolari di contatto. Nella terza e quarta colonna i valori sono stati adimensionalizzati rispetto alla massima forza che si ha, rispettivamente, nel caso in cui agiscono solo i carichi meccanici e in quello in cui agisce solo la temperatura. Le ultime due colonne sono invece adimensionalizzate rispetto alla forza risultante (caso termomeccanico) agente in ciascuno dei contatti.

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Id. Location Mechanical Thermal Mechanical Thermal

Adim. with 𝑚𝑎𝑥{𝐹𝑚𝑒𝑐} Adim. with 𝑚𝑎𝑥{𝐹𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚} Adim. with 𝐹𝑡𝑜𝑡

1 Case AFT Axial 100% 17% 94% 6%

2 Case AFT Radial 39.4% 100% 52% 48%

3 Case FWD Bottom 65.8% 38% 83% 17%

4 Case FWD Upper 0% 19% 0% 100%

5 Hook Case AFT 3.1% 50% 14% 86%

6 Diaph AFT Radial 0.8% 32% 7% 93%

7 Diaph AFT Axial 16% 7% 86% 14%

8 Diaph FWD Radial 0% 11% 0% 100%

9 Hook Diaph FWD Upper 0% 0% 0% 0%

10 Hook Diaph FWD Bottom 4.6% 9% 365% -265%

11 Hook Diaph AFT 2.2% 27% 19% 81%

Tabella 3.1 - Contributi di origine meccanica e termica alle reazioni vincolari per l'ugello non raffreddato AVG

Il settore dell’ugello è vincolato alla macchina solo attraverso la parte esterna in una configurazione simile a quella di una trave a sbalzo incastrata alla sua estremità; il carico meccanico produce una tensione dovuta al momento flettente massima al tip dove l’ugello è vincolato. Come mostra la Figura 3.10 le zone più stressate si trovano infatti in corrispondenza dei raccordi esterni delle foglie, regioni di elevata concentrazione delle tensioni dovuta alla brusca variazione della geometria. L’effetto del momento è evidente anche dal fatto che i contatti 2 e 3 sono sollecitati dall’azione meccanica mentre 4 e 5 risultano quasi completamente scarichi (terza colonna della Tabella 3.1).

La spinta del gas preme l’ugello sui contatti assiali posteriori: le reazioni vincolari relative alle zone 1 e 7 (contatto assiale dell’ugello con cassa e diaframma rispettivamente) sono infatti costituite principalmente dal contributo meccanico (colonne 5 e 6 della Tabella 3.1). Dalla Figura 3.13 inoltre è evidente che tali contatti sono sollecitati essenzialmente su un solo lato, quello della foglia 1: ciò suggerisce che il flusso provoca anche una rotazione dell’ugello rispetto alla direzione radiale motivo per il quale la foglia 3 risulta essere più sollecitata.

Nella Tabella 3.2 sono riportati i valori adimensionalizzati delle forze risultanti in ciascun vincolo, nel caso di ugello non raffreddato nelle condizioni di AVG e P+A. Le differenze maggiori tra i due

37 casi si verificano in corrispondenza dei contatti radiali (2,3,6,8) mentre vi sono differenze poco marcate in corrispondenza dei contatti assiali (1,7). Questo è dovuto al fatto che la pressione sull’ugello, quindi la spinta del flusso che lo investe, è la stessa nei due casi e le differenze che si sono registrate per gli altri contatti sono dovute alla diversa dilatazione termica del componente.

Id. Location

Uncooled P+A Uncooled AVG FX FY+FZ FX FY+FZ ΔF 1 Case AFT 100% 94% 6% 2 Case AFT 98% 67% 31% 3 Case FWD bottom 57% 70% 13% 4 Case FWD Upper 7% 6% 1% 5 Hook AFT 12% 19% 7% 6 Diaph AFT 24% 11% 13% 7 Diaph AFT 17% 16% 1% 8 Diaph FWD 15% 3% 12%

9A Hook FDW upper (AF3 side) 0% 0% 0%

9B Hook FDW upper (AF1 side) 0% 0% 0%

10A Hook FDW bottom (AF3 side) 1% 1% 0%

10B Hook FDW bottom (AF1 side) 0% 0% 0%

11 Hook AFT bottom 11% 11% 1%

Tabella 3.2 - Confronto tra le reazioni vincolari esercitate sull'ugello non raffreddato nei casi P+A e AVG

Dal momento che le condizioni P+A risultano più gravose delle AVG d’ora in avanti si analizzeranno sono le prime omettendo di volta in volta la dicitura “P+A”.