CAPITOLO 3
BANCO DI PROVA
In questo capitolo, verrà trattato il banco di prova partendo dall’analisi concettuale e arrivando al-la realizzazione concreta. Verranno considerati tutti gli elementi che lo compongono e al-la loro funzio-ne. La parte conclusiva è dedicata alle scelte fatte per rendere trasportabile e sicuro l’impianto.
3.1 Analisi concettuale
Il compito principale del banco di prova è quello di misurare l’andamento della spinta dei prototi-pi. Per realizzare questo obiettivo sono state effettuate specifiche scelte dettate dai requisiti del banco di prova. Nel seguito verranno illustrati i requisiti e le scelte fatte.
3.1.1 Requisiti del banco di prova
I requisiti del banco di prova sono i seguenti:
• capacità di misurare la spinta prodotta dagli endoreattori testati; • precisione nella misurazione;
• adattabilità a modelli di dimensioni diverse; • facilità di fissaggio dei prototipi;
• accessibilità ai sensori montati sul propulsore; • elevata sicurezza.
Analizziamoli singolarmente.
Per valutare le prestazioni di un endoreattore, il parametro più significativo da misurare è sicura-mente la spinta. Questa sarà caratterizzata da sei componenti tra forze e momenti, corrispondenti ai sei gradi di libertà posseduti dal corpo: infatti, il flusso in uscita avrà delle inevitabili asimmetrie che in-troducono, oltre alla componente puramente assiale (Fx), due componenti di forza nel piano parallelo
alla sezione di uscita non nulle (Fy e Fz) e tre componenti di momento (Mx, My, Mz), come illustrato in
figura 3.1.
Figura 3.1 Schematizzazione delle componenti della spinta in un endoreattore
Legato alla capacità di misurazione della spinta, è senz’altro il requisito di precisione della misura che si ottiene ponendosi come obiettivo che il sistema di afferraggio e di sostentamento del propulsore assorba una percentuale massima del 5% della forza propulsiva e che, quindi, si possa avere almeno il 95% della forza sul sensore di misura. In seguito, la fase di calibrazione del sensore permetterà di mi-surare il valore della spinta con maggior precisione.
L’adattabilità a diversi modelli di propulsore è un altro requisito fondamentale; infatti, durante la sperimentazione, è molto probabile che vengano provate molteplici configurazioni, anche molto diver-se tra loro. Per ediver-sempio, il raggiungimento di vari livelli di spinta o di impulso totale necessiterà, ri-spettivamente, di un incremento delle dimensioni del motore o di un letto catalitico più lungo. Da ciò, risulta evidente come il variare degli ingombri del motore introduca una certa incertezza di progetto e quindi il bisogno di un interfacciamento che si adatti a queste variazioni.
Come conseguenza del requisito di adattabilità, c’è il requisito, di carattere pratico, che il fissag-gio dei motori sia facile e veloce, sempre in previsione di poter effettuare prove su diversi tipi di moto-re.
Il sistema di ancoraggio deve permettere un facile accesso ai sensori che monitorano le grandezze del propulsore (trasduttori di pressione, termocoppie, ecc.) e l’interfaccia con l’impianto di approvvi-gionamento non deve interferire con i punti in cui il prototipo viene vincolato.
Ultimo, ma non meno importante, è il requisito di sicurezza poiché questa parte del sistema è po-tenzialmente la più pericolosa, anche se le specifiche di progetto prevedono valori della spinta piutto-sto bassi. Per soddisfare quepiutto-sto requisito, occorre limitare i possibili spostamenti del motore, qualora, in seguito a cedimenti (strutturali o altro), si trovasse libero di spostarsi sotto effetto della spinta.
3.1.2 Progettazione
Durante la fase di progettazione sono state fatte delle scelte iniziali fondamentali per indirizzare le fasi successive.
La scelta principale è stata quella di misurare la sola componente assiale della spinta, poiché le al-tre componenti sono trascurabili e non volute; la semplificazione nella realizzazione dell’impianto che questa scelta comporta è rilevante.
Per favorire l’adattabilità del banco di prova ad entrambi i prototipi (da 5 N e 25 N), si è scelto di uniformare ad una stessa dimensione le flange utilizzate nell’assemblaggio dei moduli dei propulsori.
La scelta fatta per misurare la spinta è stata quella di utilizzare una cella di carico di tipo a botto-ne. Il funzionamento di questo sensore è molto semplice: in base all’intensità della forza, il bottone viene schiacciato e si instaura una differenza di potenziale che permette di risalire al valore della spin-ta. Per avere una precisa misurazione viene eseguita una fase di calibrazione della cella di carico, la quale può essere approssimata ad una molla di tipo assiale con elevata rigidezza.
Nella figura 3.2 è possibile vedere uno schema concettuale del banco di prova.
Figura 3.2 Schema concettuale del banco di prova
La cella è montata solidalmente con la parte mobile (culla), ma sufficientemente rigida, del banco di prova e, naturalmente, in posizione opposta a quella di uscita dei gas di scarico, mentre un perno re-golabile solidale con la struttura di sostegno va a contatto con il bottone garantendo il precarico e la misurazione. La culla è fissata alla struttura di sostegno di tutto il banco tramite flexure, ovvero degli elementi molto flessibili nella direzione assiale del motore. Si è deciso di realizzare un sistema “sospe-so” per ridurre al minimo tutte le forze dissipative e soprattutto quelle dovute all’attrito; infatti, facen-do scorrere, ad esempio, la culla lungo una guida prismatica ci sarebbero stati fenomeni di attrito nella fase di moto incipiente che sono, per loro natura, difficilmente modellabili.
In questa fase di progettazione si è tenuta in conto anche l’influenza del tubo di alimentazione del motore sul banco di prova che è duplice:
• il tubo possiede una propria rigidezza flessionale, anche se piccola; • nel tubo scorre del fluido in pressione.
Per limitare questi due effetti è necessario posizionare il tubo in modo tale da avere una rigidezza trascurabile per piccoli spostamenti nella direzione della spinta ed occorre che le forze introdotte dal passaggio del perossido di idrogeno non si scarichino in direzione della spinta.
Per impedire che il fluido in pressione eserciti forze in direzione della spinta, il tubo flessibile, tramite un reggi-tubo, è stato fissato rigidamente alla culla in modo tale che l’ingresso del fluido av-venga su un piano parallelo alla forza di spinta, ottenendo così che la pressione eserciti una forza solo in direzione normale all’asse di spinta; questa scelta si capisce meglio considerando il volume di con-trollo riportato in figura 3.3.
Figura 3.3 Influenza del tubo di alimentazione
Durante la fase di sparo, la culla si sposterà nella direzione della spinta di qualche μm, data l’elevata rigidezza della cella di carico; distribuendo questo spostamento lungo tutta la lunghezza del tubo flessibile, disposto come detto in precedenza, questo subirà deformazioni praticamente trascura-bili e conseguentemente si opporrà allo spostamento con rigidezza praticamente nulla.
Un’altra scelta fatta è stata quella di non attaccare le flexure direttamente al sistema di supporto del banco di prova, ma di fissarle ad una piastra di interfaccia (figura 3.4). Poiché le flexure sono, per scelta di progetto, estremamente delicate in quanto indebolite in alcune zone per avere una ridotta rigi-dezza, si è deciso di utilizzare delle staffe di supporto, montate sulla piastra di interfaccia, in modo da bloccare la culla ed evitare pericolose sollecitazioni sulle flexure quando non si intende misurare la spinta del propulsore, come, ad esempio, in fase di montaggio del motore e dell’intero sistema. Quan-do occorrerà procedere alla misurazione, basterà svitare le viti che fissano le staffe alla culle e rimuo-vere gli spessori tra la culla e le staffe, così la culla avrà un grado di libertà lungo la direzione della spinta. Le staffe hanno, poi, la funzione di impedire che le flexure vengano sollecitate eccessivamente limitando la corsa della culla.
Infine si è scelto di dare un grado di libertà alla battuta della cella di carico lungo la direzione del-la spinta per garantire un sistema semplice ed efficace di precarico e di contatto tra il bottone deldel-la cel-la di carico e cel-la battuta stessa.
Figura 3.4 Piastra di interfaccia e staffe di supporto
3.2 Realizzazione concreta
La progettazione costruttiva concreta è stato il risultato di una serie di iterazioni. Per chiarezza qui viene riportato solo il risultato finale di questa fase, senza analizzare le singole iterazioni.
Nella APPENDICE A sono riportati il disegno del complessivo e i disegni dei particolari. Il banco di prova è stato realizzato nell’officina di Alta s.p.a.
3.2.1 Assieme
Nella figura 3.5 è riportato il disegno di assieme del banco di prova nel quale sono evidenziate le parti principali: al sistema di supporto del banco, che alloggia anche la battuta della cella di carico, è collegata la piastra di interfaccia sulla quale sono fissate anche le staffe di sostegno. La piastra di inter-faccia, tramite le flexure, sorregge la culla alla quale è fissato il motore tramite due sostegni.
Il peso del banco di prova senza la struttura di supporto è di circa 3 kg.
Figura 3.5 Disegno di assieme del banco di prova
Nella foto di figura 3.6 è possibile vedere il banco di prova montato.
Figura 3.6 Banco di prova montato
3.2.2 Singoli elementi
I singoli elementi del banco di prova verranno analizzati in questo paragrafo.
3.2.2.1 La cella di carico
Il compito di misurare la spinta prodotta dei due motori spetta a due celle di carico a bottone con diverso fondoscala prodotte dalla Sensotec (figura 3.7). Queste celle di carico funzionano solo a com-pressione.
A queste celle di carico e alla loro calibrazione è dedicato l’intero capitolo 4, al quale si rimanda per gli approfondimenti del caso.
Figura 3.7 Cella di carico della Sensotec
3.2.2.2 Gli elementi flessibili: le flexure
Le flexure sono sottilissime lamine di acciaio inossidabile con spessore di 50 μm fissate alla culla e alla piastra di interfaccia del banco di prova tramite due profilati ad L in alluminio (figura 3.8).
Figura 3.8 Disegno (a sinistra) e foto (a destra) della flexure completa
Nella parte centrale vengono montate con collegamento filettato due piastre di rinforzo sempre in alluminio. Le due sottili strisce di foglio che rimangono non rinforzate sono gli elementi che si fletto-no permettendo l’elevata cedevolezza della struttura.
Infatti, quando la culla trasla nella direzione della spinta sotto l’azione del motore, la piastra supe-riore della culla e la piastra di interfaccia rimangono parallele (figura 3.9).
Figura 3.9 Andamento qualitativo della deformata della flexure
Per evitare pericolose concentrazioni di tensione dovute a spigoli vivi, sui rinforzi, in particolare sulla faccia a diretto contatto con il foglio di acciaio inossidabile, sono stati eseguiti dei raccordi (figu-ra 3.10).
Figura 3.10 Raccordi sui rinforzi
In appendice sono riportati i disegni di particolare degli elementi della flexure.
3.2.2.3 La culla
La culla, realizzata completamente in alluminio, è il risultato dell’assemblaggio dei particolari 1, 2, 3, 15, 16 e 18. Come già detto, è la parte mobile del banco di prova ed il suo scopo principale è quello di allineare, con la massima precisione, l’asse del bottone della cella di carico con l’asse di spinta del motore fissato alla culla.
Analizziamo ora le caratteristiche dei singoli particolari che compongono la culla (figura 3.11). La piastra orizzontale (particolare 1) presenta sulla parte inferiore un gradino per realizzare una battuta laterale per i supporti del motore (particolari 4 e 5) e centrare univocamente il motore rispetto alla cella di carico. Per permettere di montare motori di dimensioni diverse, il particolare 1 è asolato in corrispondenza del fissaggio del particolare 4.
La cella di carico è fissata alla piastra verticale (particolare 2) tramite il porta cella di carico (par-ticolare 18).
Gli elementi reggi-tubo (particolari 15 e 16) vincolano rigidamente il tubo flessibile per soddisfa-re il soddisfa-requisito che il tubo non influenzi la misurazione della spinta.
Il rinforzo (particolare 3) è stato studiato per irrigidire il collegamento ad L tra la piastra orizzon-tale e la piastra verticale.
Figura 3.11 La culla della bilancia di spinta
Tutti i fissaggi sono stati realizzati tramite collegamenti filettati e tramite l’inserimento di elicoidi per realizzare la filettatura mordente sull’alluminio, dove non è stato possibile realizzare fori passanti.
3.2.2.4 I sostegni del motore
Il sostegno anteriore del motore, particolare 4, può essere sistemato in diverse posizioni grazie a delle asole presenti nella piastra orizzontale della culla, particolare 1. In questo modo si soddisfa il
quisito di adattabilità del banco di prova a motori aventi dimensioni e spinte diverse: le flange della parte anteriore del motore si centrano nel foro del sostegno e vanno a battuta su un gradino apposita-mente conformato (figura 3.12). L’allineamento rispetto alla cella di carico viene effettuato portando a battuta laterale il sostegno sul gradino della piastra orizzontale.
Figura 3.12 Sostegno anteriore del motore
Il sostegno posteriore, particolare 5, accoglie la flangia posteriore del motore che viene spinta a battuta sul sostegno tramite un tirante, particolare 6, che si inserisce in una gola scavata nella flangia del motore e viene tirato tramite dei dadi che fanno battuta sulla piastra orizzontale. Dall’attrito che nasce per compressione, si genera un vincolo assiale per il motore. Per permettere eventualmente di alloggiare flange con dimensioni diverse da quelle di progetto, la zona di contatto è stata conformata a V con un angolo di apertura di 120°. Gli indebolimenti realizzati nella parte inferiore del particolare tramite l’asportazione del materiale servono per consentire una più facile deformazione in seguito alla dilatazione termica che il motore subisce durante il funzionamento (figura 3.13).
Figura 3.13 Sostegno posteriore del motore
Entrambi i sostegni sono realizzati in alluminio.
3.2.2.5 La piastra di interfaccia
La piastra di interfaccia, realizzata in alluminio, presenta (figura 3.14):
• quattro fori per fissare la piastra di interfaccia al sostegno del banco di prova tramite viti M5;
• quattro fori svasati per il fissaggio delle staffe; • sei fori svasati per il fissaggio delle flexure;
• un foro sufficientemente grande per il passaggio della linea dell’alimentazione per evitare che il tubo entri in contatto con la piastra e creare interferenze non volute sulla culla du-rante la misurazione della spinta.
L’accorgimento di svasare i fori è utile per evitare che le viti di collegamento, sporgendo dal pia-no superiore della piastra, interferiscapia-no nel contatto tra la piastra di interfaccia e il sistema di suppor-to del banco di prova.
Figura 3.14 Piastra di interfaccia
3.2.2.6 Il sistema di supporto del banco di prova
Gli elementi utilizzati per il sistema di supporto sono delle travi standard in acciaio e, per la pre-cisione, travi HEA 300 e tubi in acciaio a sezione rettangolare 100x50 (figura 3.15). Queste travi sono ampiamente sovradimensionate per i carichi con cui sono sollecitate, ma, per le loro dimensioni, è possibile sollevare il getto da terra in modo che il terreno influenzi il meno possibile il flusso dei gas di scarico.
Figura 3.15 Sistema di supporto: trave HEA 300, a sinistra, e tubolare a sezione rettangolare, a destra
Il riscontro, particolare 21, è anch’esso in acciaio ed ha delle asole orizzontali per il collegamento con la trave di supporto, particolare 19, e un’asola verticale centrale per il fissaggio della battuta della cella di carico. Lo scopo di queste asole è quello di garantire il perfetto centraggio della battuta rispetto alla cella di carico.
Figura 3.16 Riscontro
3.2.2.7 La battuta della cella di carico
La battuta della cella di carico è una vite M6 tornita in corrispondenza del contatto con il bottone. Questa viene fissata al riscontro (particolare 21) tramite dado e controdado (figura 3.17); in questo modo avvitando la vite si ottiene un moto di avanzamento che consente il precarico della cella di cari-co.
Figura 3.17 La battuta della cella di carico
3.3 Trasportabilità e sicurezza dell’impianto
L’impianto di prova è costituito da tre parti principali (figura 3.18):
• una sezione dedicata all’approvvigionamento del perossido di idrogeno; • una sezione dedicata alla bilancia di spinta;
• una sezione riservata al pannello elettrico da dove viene gestita l’alimentazione dei senso-ri e dei solenoidi delle valvole elettropneumatiche.
Per esigenze di funzionalità, l’intero impianto deve essere montato in una sede che ne garantisca il trasporto, facendo in modo di evitare di smontare tutti i componenti principali. Per questo scopo è stato realizzato un “cubo”, una struttura simile ad un container, fissato su un carrello trainabile da un automezzo, al cui interno è stato inserito l’impianto.
Nella sezione dedicata alla bilancia di spinta, è prevista una finestra di dimensioni consone per non interferire nella misurazione dalla quale esce il getto del propulsore.
Figura 3.18 Schematizzazione delle tre parti del “cubo”
La struttura è dotata di aperture che consentono il passaggio dei cavi e delle tubazioni che connet-tono il banco di prova alla rete elettrica, al PC ed al sistema di pressurizzazione esterni alla struttura. In questo modo i portelloni laterali possono essere chiusi senza interferire con le connessioni (figura 3.19).
La struttura è sorretta sulla superficie metallica del carrello da sostegni a cuscinetti ad aria con lo scopo di diminuire le vibrazioni a cui è sottoposta durante il trasporto. Anche la griglia è sostenuta con due cuscinetti ad aria opportunamente montati per permettere lo scorrimento in apposite guide.
Figura 3.19 Foto della struttura di alloggiamento dell’impianto
Il “cubo” permette anche di aumentare il grado di sicurezza: infatti, solo la finestra riservata all’uscita dei gas di scarico del propulsore rimane aperta durante la fase di sparo. In questo modo, le pareti della struttura, interponendosi tra il banco di prova e gli operatori, fungono da schermo protetti-vo. Inoltre, tutto il sistema è controllato in remoto.
