Introduzione
Generalità
Secondo le Joint Aviation Regulations (JAR) la più pericolosa conseguenza legata alla rottura di un motore aeronautico è la generazione di pezzi che possiedono elevata energia cinetica e che sono proiettati all’esterno del motore stesso. Da questo punto di vista, le parti più critiche di un motore a turbina sono le palette e i dischi che collegano le palette
all’albero principale. Infatti, durante il funzionamento entrambi questi componenti ruotano ad alta velocità e, in caso di rottura non vengono mantenuti all’interno del motore. Fu proprio la rottura di un disco la causa dell’incidente di Pensacola (USA) del 1991, in cui i pezzi del motore furono proiettati anche all’interno della carlinga.
Sebbene il numero di incidenti di questo tipo sul numero di partenze annuali sia diminuito stabilmente negli ultimi decenni, il tasso di crescita delle partenze è aumentato con
maggior rapidità. Questo significa che, a causa dell’aumento del traffico aereo, il numero di incidenti annuo per perdita di elementi rotanti è in realtà in aumento: con le attuali previsioni di aumento del traffico aereo nel 2015 potrebbe avvenire un incidente di questo tipo ogni settimana.
Le analisi effettuate dopo l’incidente di Pensacola portarono ad identificare la causa della rottura in un errore di lavorazione di uno dei fori presenti nel disco turbina. Tale incidente fu, dunque, lo spunto per effettuare un'analisi più dettagliata delle cause che generano la rottura degli elementi rotanti, e, in particolare, del disco turbina. Il risultato dell’analisi è stato che, tra le cause di rottura, quella della lavorazione del disco è andata crescendo sensibilmente, fino a diventare la prima causa d'incidenti dell’ultimo decennio.
I dischi di un motore a turbina sono ottenuti tramite lavorazioni per asportazione di truciolo da un forgiato. Tra i materiali più utilizzati figurano la lega di titanio Ti-6Al-4V, per gli stadi a bassa temperatura, e la lega di nichel Inconel 718, per gli stadi ad alta temperatura. Il forgiato subisce lavorazioni di tornitura, foratura, brocciatura, nonché di fresatura e rettifica.
In particolare la foratura e la tornitura delle superfici del disco sono risultate essere le lavorazioni più critiche poiché costituiscono più del 50% delle cause di rottura imputabili alle lavorazioni.
Il progetto MANHIRP
Il progetto MANHIRP nasce quindi dalla necessità di comprendere a fondo le ragioni della rottura del disco legate alla lavorazione del disco stesso e di trovare le soluzioni più
adeguate. Partendo dalla geometria del disco sono state definite tre linee di ricerca: una relativa alla tornitura della parte centrale del disco, una seconda relativa alla brocciatura delle sedi in cui si impegnano le palette e l’ultima relativa alla realizzazione dei fori delle flangie.
Il progetto ha avuto inizio il 1 Febbraio 2001, era prevista una durata di 48 mesi (successivamente prorogati) e vi partecipano 13 partner:
• Rolls-Royce plc. Gran Bretagna
• MTU Motoren- und Turbinen-Union Muenchen GmbH Germania
• Volvo Aero Corporation AB Svezia
• Snecma Moteurs Francia
• Industria de Turbo Propulsores, S.A. Spagna
• Avio S.P.A. Italia
• Integrated Aerospace Sciences Corporation (INASCO) Grecia
• Uppsala Universitet Svezia
• Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Germania • Rheinisch-Westfälische Technische Hochscule Aachen Germania • The University of Nottingham Gran Bretagna
• Armines/Ensmp Francia
• Politecnico di Milano Italia
E’ in questo contesto che la Avio si è rivolta al Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale di Pisa, per l’allestimento e l’esecuzione di una campagna di prove volta a determinare l’influenza di vari parametri di lavorazione sulla vita a fatica ad alta temperatura di
provette realizzate in Inconel 718. Tale collaborazione è stata prevista in più fasi, svolte nelle precedenti attività di ricerca. Una prima fase ha riguardato la progettazione e messa a punto del sistema di prova, la definizione definitiva della geometria dei provini, la
progettazione e realizzazione del sistema di afferraggio, e l’esecuzione di una serie di prove preliminari di messa a punto e validazione.
In seconda fase sono state effettuate le prove in controllo di carico, utilizzando a carattere indicativo le tensioni ottenute con le prove preliminari della prima fase; sono stati quindi analizzati i risultati ottenuti, e tratte le dovute conclusioni.
In una terza fase si è potuto iniziare la ricerca vera e propria studiando l’influenza dei parametri della tornitura con utensili tradizionali sulla vita a fatica del materiale.
Infine si è studiata l’influenza del danneggiamento da handling delle superfici e di quella delle lavorazioni utilizzate per la loro asportazione.
Collocazione di questo studio
La presente Tesi di Laurea riguarda lo studio dell’influenza dell’utilizzo di utensili
avanzati, ceramici e in CBN, sempre sulla vita a fatica, utilizzati con diverse combinazioni di usura e profondità di passata, e lo studio di provini in cui una errata lavorazione ha prodotto uno strato superficiale amorfo detto white layer, Le prove sono state eseguite come le precedenti alla temperatura di 500°C.
Le attività complementari hanno riguardato innanzitutto la messa a punto di un sistema per utilizzare due sensori laser per un’accurata misura puntuale dei provini. Inoltre si sono rese necessarie delle analisi agli elementi finiti per valutare l’influenza sulla distribuzione di tensioni all’interno dei provini di un afferraggio decentrato causato da una asimmetria nella forma delle mazzette. Infine si è cercata, sempre con analisi FEM una soluzione pratica per asportare dalla superficie dei piccoli difetti introducendo delle concentrazioni di tensione più piccole possibile. La precedente campagna non ha dato infatti i risultati sperati. Le provette utilizzate nella campagna di prova sono fornite da Avio: da un forgiato di diametro pari a 400 mm sono ricavati per elettroerosione (Electric-Discharge Machining, E.D.M.) dei dischi di spessore pari a 6 mm; questi sono successivamente lavorati sulle due facce tramite tornitura, fino a raggiungere lo spessore di 4 mm. Sempre mediante E.D.M. vengono asportati dai dischi gli sbozzati delle provette, il cui asse longitudinale risulta
tangente alle circonferenze dei testimoni di lavorazione al tornio. Infine le provette vengono finite sui fianchi per fresatura.
Scelta dei parametri e utilizzo dei risultati delle prove
Le sollecitazioni che interessano i dischi di turbina sono essenzialmente dovute alla forza centrifuga generata dall’elevato regime di rotazione di questo tipo di motori.
Per un disco uniforme di diametro b con foro centrale di diametro a le tensioni derivanti dalla velocità angolare ω in funzione del raggio r sono le seguenti:
(
)
(
)
− + ⋅ + − ⋅ + + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ = + − ⋅ − ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ = 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 1 3 8 3 8 r r b a a b g r r b a a b g t r ν ν ν ω γ σ ν ω γ σDove ν è il modulo di contrazione laterale del materiale e g l’accelerazione di gravità. Da queste formule si può ricavare il grafico seguente:
-b -a 0 a b Distanza dall'asse T e n s io n e σr σt
Figura 1 Tensioni tangenziali e radiali in un disco uniforme forato con raggio interno a
ed esterno b
Quindi in generale ci troviamo di fronte ad uno stato di tensione biassiale. Uno stato di tensione così, oltre alla complicazione di introdurre due valori della tensione di riferimento anziché uno solo è praticamente impossibile da riprodurre in banco prova. Pertanto le nostre prove saranno fatte sotto un carico monoassiale e quindi per utilizzare questi risultati in altri casi ci si servirà di un criterio di confronto, come ad esempio quello di Von Mises:
(
) (
) (
)
eq σ σ σ σ σ σ σ − + − + − = 2 2 1 3 2 3 2 2 2 1Le turbine dei motori aeronautici sono sottoposte in generale a cicli di sollecitazione complessi, dipendenti dal tipo di velivolo e dal tipo di missione. Essendo praticamente impossibile prevedere quindi un ciclo di vita tipico si è deciso di fare una delle prove il più generali possibile, ovvero cicli di carico sinusoidali con valore minimo nullo (le tensioni nei dischi rotanti non sono mai in compressione). Anche per questo aspetto chi utilizzerà i dati ricavati da questa campagna dovrà utilizzare dei criteri per confrontare i dati, come quello dell’accumulo lineare del danno di Miner.
