Progettazione di un sistema di eccitazione senza contatto per un disco palettato in rotazione = Design of a non-contact excitation system for a rotating LPT bladed disk

Un obiettivo fondamentale nella progettazione di turbomacchine aeronautiche è garantire un margine di sicurezza contro i guasti dovuti alla fatica ad alto numero di cicli (High Cycle Fatigue - HCF). Nei motori aeronautici, i dischi palettati dei moduli di turbina e compressore sono particolarmente soggetti a questo fenomeno. In particolare, la tendenza progettuale degli ultimi anni ha portato ad avere palette sempre più sottili, leggere e sottoposte a maggiori carichi di lavoro, esponendo tali componenti, in determinate condizioni operative, a cedimenti strutturali. La validazione delle metodologie per il controllo della dinamica dei rotori viene eseguita attraverso campagne di test mirate alla certificazione e alla ricerca. Sono state sviluppate piattaforme di prova di vari livelli di complessità, dal singolo sub-componente fino a strutture di prova più estese, che coinvolgono un disco palettato o l'intero motore. Una delle sfide principali, quando la validazione di tali metodologie avviene misurando la risposta forzata di un componente in rotazione, è la misurazione accurata dell'energia introdotta nel sistema. La forza di eccitazione viene applicata al disco palettato tramite un sistema senza contatto. È quindi fondamentale la progettazione di un sistema di eccitazione idoneo. Questo elaborato presenta la metodologia per progettare eccitatori basati su magneti permanenti. È stato sviluppato un modello numerico agli elementi finiti per prevedere la forza generata dagli eccitatori sul rotore in funzione. I risultati teorici sono stati convalidati con un banco di prova specificamente allestito presso il laboratorio meccanico dell’Avio Aero Test Center. L’obiettivo di questa tesi è anche quello di determinare, attraverso uno sforzo combinato numerico-sperimentale, le proprietà strutturali di un disco palettato con tettuccio. Il test article è stato progettato nell'ambito del progetto europeo FUTURE (‘Flutter-Free Turbomachinery Blades’), iniziato nel 2008 e conclusosi nel 2013. Per caratterizzare il comportamento dinamico del componente studiato, sono state utilizzate tecniche di misurazione avanzate come il Blade Tip-Timing (BTT), un sistema impiegato per monitorare le vibrazioni delle pale. Oltre alla campagna di test svolta al banco prova Spinning dell’Avio Aero Test Center, sono state condotte analisi computazionali sul modello ANSYS 3D del disco palettato menzionato, al fine di approfondire la conoscenza del fenomeno della risposta forzata nelle turbomacchine.