Progetto di motori per aeromobili/Costruzione di motori per aeromobili (Costruzione di motori per aeromobili)

Chi progetta i propulsori ha il compito di dare forma ai componenti strutturali e ai loro sistemi considerando le condizioni al contorno poste dal progetto termodinamico e fluidodinamico del motore. L’insegnamento Costruzione di Motori per Aeromobili esamina la macchina "motore aeronautico" dal punto di vista meccanico, identifica le principali parti che compongono il motore, la loro cinematica e studia la capacità dei suoi componenti di resistere alle sollecitazioni meccaniche e termiche. L’insegnamento è in lingua italiana. OBIETTIVO DELL’INSEGNAMENTO Questo insegnamento si propone di fornire le conoscenze e le abilità di base necessarie al progetto e alla verifica di alcuni componenti meccanici presenti nel motore aeronautico. Inoltre, a un livello superiore, l’insegnamento mira a rendere gli studenti e le studentesse indipendenti nello scegliere i metodi appropriati di analisi teorica, numerica e sperimentale per proporre soluzioni alla progettazione di un nuovo componente sulla base di specifiche.

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Progetto di Motori per Aeromobili L'insegnamento si propone di presentare e di fornire agli studenti le problematiche e le metodologie utilizzate per il progetto dei propulsori aeronautici a turbina, "Gas Turbine Engines". In questo insegnamento gli studenti saranno messi nelle condizioni di poter effettuare il progetto preliminare termodinamico e 0D del propulsore aeronautico e dei suoi singoli componenti. Il progetto avverrà considerando il profilo di missione, i requisiti e i vincoli dell'aeromobile ("Request for Proposal", RFP). L'attenzione verrà indirizzata allo sviluppo di un turbofan con mixer e post-combustore che dovrà equipaggiare un "Air-to-Air Fighter" di prossima generazione.

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Al termine dell’insegnamento gli studenti e le studentesse saranno capaci di comprendere e utilizzare i requisiti funzionali e le specifiche di progetto, i componenti e i sistemi meccanici dei tipi già noti valutandone caratteristiche e limiti, di determinare forma e dimensione di nuovi componenti del motore, di prevederne la resistenza e la durata, di valutare i materiali più adatti ad ogni applicazione, di tenere conto delle normative e dei vincoli tecnologici, di adottare gli strumenti di calcolo numerici o analitici più appropriati, di conoscere i criteri per valutare e approvare un progetto nel suo complesso e, in conclusione, di assumere la responsabilità di una decisione basandosi su evidenze in linea con criteri tecnici aggiornati. In dettaglio, chi apprende i contenuti dell’insegnamento sarà in grado di, -) verificare per cedimento a fatica, in particolare fatica tridimensionale, i componenti del motore; -) dimensionare un giunto bullonato; nello specifico un collegamento flangiato tra albero e disco; -) calcolare lo stato di tensione e deformazione, in campo elastico e in campo elasto-plastico, nei dischi rotanti e con gradiente termico; -) determinare lo stato di tensione e l’accostamento nei contatti Hertziani; -) scegliere un cuscinetto a catalogo in base alla specifica applicazione; -) quantificare la distribuzione delle forze al contatto nei corpi volventi di un cuscinetto rotante ad alta velocità; -) analizzare la cinematica delle ruote dentate e verificare la resistenza del dente a fatica e a contatto Hertziano in riferimento alle normative. -) risolvere problemi lavorando in gruppo.

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Progetto di Motori per Aeromobili Gli studenti dovranno essere in grado di conoscere in modo approfondito le problematiche connesse al progetto e lo sviluppo del motore con i suoi componenti. Dovranno essere in grado di valutare criticamente le scelte progettuali e le loro implicazioni. Infine dovranno apprendere la capacità di lavoro in un team di sviluppo

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Chi accede a questo insegnamento conosce ed è capace di utilizzare gli stati di tensione e deformazione, le loro principali proprietà e la loro rappresentazione grafica (Mohr); il comportamento bi/tri-dimensionale dei materiali elastici; i criteri statici di verifica dei materiali elastici duttili e fragili (criteri della tensione normale massima, della tensione tangenziale massima o di Tresca, della massima energia di distorsione o di Von Mises). Inoltre, padroneggia la meccanica delle forze, la cinematica, la dinamica dei corpi rigidi; per quanto riguarda i corpi deformabili sa come ottenere la distribuzione delle caratteristiche di sollecitazione su corpi prismatici (travi sollecitate a trazione, flessione e torsione) e calcolare le tensioni sulle sezioni rette. È desiderabile che l’allievo disponga di nozioni sul calcolo matriciale. È infine necessaria la comprensione della lingua inglese scritta, al livello delle diapositive che il docente utilizzerà a lezione e degli estratti da pubblicazioni, testi tecnico/scientifici e manuali.

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Progetto di Motori per Aeromobili Gasdinamica, Fondamenti di Macchine, Motori per Aeromobili.

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Gli argomenti in Programma sono selezionati sia perché sono frequenti e importanti nei motori aeronautici sia perché coprono una gamma di classi di problemi e metodi sufficientemente ampia anche se purtroppo – per evidenti limiti di tempo – non completa. Il programma proposto è preventivo, saranno possibili limitati cambiamenti (L: lezione; EA: esercitazione in aula). 1 - FATICA (L & EA 12h) - Criteri per l’interpretazione del comportamento a fatica dei materiali, per la scelta dei parametri che governano la fatica, per la determinazione sperimentale dei loro valori. Criteri di passaggio dai parametri di riferimento ottenuti sperimentalmente alle situazioni di maggiore complessità che si trovano presenti nei componenti. Curva di Woehler e diagramma di Haigh. Fattore di concentrazione delle tensioni e fatica. Fatica multiassiale. Modello di Miner per tensioni variabili. Metodi di conteggio dei cicli. Verifica a fatica di un elemento di trasmissione: applicazione al progetto di semestre "gearbox". 2 - SOLIDI ASSIALSIMMETRICI (L & EA. 12h) Calcolo dello stato di tensione e deformazione in campo elastico di dischi rotanti con gradiente termico. Cenni ai dischi di uniforme resistenza; stato di tensione in campo elasto-plastico. Metodo di Grammel per dischi a spessore variabile. Confronto con i risultati ottenuti con un modello agli elementi finiti. Applicazione a un accoppiamento forzato per trasmissione di coppia. Applicazione a un disco reale di compressore o turbina a profilo variabile, e relativi criteri di verifica. 3 - CONTATTI HERTZIANI (L & E 9,0h) Analisi della teoria di Hertz e conseguenze per le pressioni di contatto e per lo stato di sollecitazione, statico e a fatica. Teoria di base della fatica a rotolamento. Applicazione ad alcuni contatti tipici e determinazione delle condizioni di resistenza. 4 - CUSCINETTI A ROTOLAMENTO (L & E 9,0h) Distribuzione dei carichi tra corpi rotolanti per cuscinetti radiali e obliqui, analisi delle tensioni al contatto sulle piste. Limiti statici e applicazione dei criteri di Palmgren-Weibull per la fatica di rotolamento. Giustificazione delle formule di verifica statica e a fatica secondo i manuali. Montaggio dei cuscinetti. Applicazione a un cuscinetto ad alta velocità. Applicazione al progetto di semestre "gearbox". 5 - COLLEGAMENTI FILETTATI (L & E 10,5h) Distribuzione dei carichi tra vite e madrevite, montaggio e interferenza vite/pezzo, ripartizione del carico, verifica di resistenza della vite. Applicazione a un collegamento asta/stantuffo di un cilindro idraulico. Applicazione a un collegamento tra dischi e albero di una turbina di bassa pressione. 6 - INGRANAGGI (L & E 7,5h) Ingranaggi a evolvente. Geometria, spostamento dei profili, interferenza, resistenza a fatica e a contatto. Strisciamento specifico. Applicazioni a una gamma di problemi in contesto applicativo. Applicazione al progetto di semestre "gearbox".

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Progetto di Motori per Aeromobili Il processo del progetto: richiami di termodinamica, filosofia del progetto, esempio dei requisiti di missione per un AAF (Air-to-Air Fighter). Analisi dei vincoli: prestazioni di volo in termini di spinta e carico alare, analisi delle manovre di volo, carichi aerodinamici, inviluppo di volo. Analisi di missione: termodinamica del volo, pesi e consumo di carburante, esempio di analisi di missione (RFP) per un AAF. Analisi parametrica e prestazionale del ciclo termodinamico: spinta installata e non installata, consumo specifico, il modello di gas, portata d'aria e spillamenti, rendimenti dei componenti, analisi prestazionale “off-design” del motore e dei componenti, selezione del motore più appropriato, analisi di sensitività, parametri adimensionali, mappe di compressore, combustore, turbina, il "matching" dei componenti. Dimensioni di massima del motore: resistenza addizionale per presa d'aria e ugello di scarico, dimensionamento della presa, dimensionamento dell'ugello di scarico, scelta del numero di motori. Progetto dei componenti motore: quantità globali e di interfaccia, linea di funzionamento del motore, elementi di progetto delle turbomacchine (fan, compressore, turbina) con relativo "flowpath", sistema di combustione e componenti, presa d'aria e ugello.

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L’insegnamento è strutturato in 6 crediti per un totale di 60 ore in aula con i docenti (39 ore di lezione, 21 ore di esercitazione). Il carico totale di studio per questo modulo di insegnamento è di circa tra 150 ore (25 ore per credito). Ciò include le ore in aula, il completamento delle relazioni di esercitazioni e la loro stesura, lo studio. Le ore di esercitazioni sono strettamente collegate ai contenuti delle lezioni in aula. Durante le esercitazioni l’allievo risolve problemi didattici o piccoli progetti atti a svilupparne la capacità di applicare le conoscenze ai problemi così come questi si presentano in pratica. Vengono fornite e illustrate tracce di svolgimento ma l’esercitatore non svolge tutto il problema alla lavagna. Si chiede invece agli studenti e studentesse di organizzarsi in piccoli gruppi per risolvere in squadra il problema. Il fascicolo per ogni esercitazione da svolgere è sarà caricato sul portale della didattica. Ciascun gruppo redige relazioni, in cui sono raccolti svolgimento e risultati, e ciascun componente del gruppo porterà la propria copia all’esame. Viene fornita assistenza continua in aula da parte di un esercitatore. Il docente titolare e il collaboratore sono disponibili su appuntamento (via email) per chiarimenti su lezioni ed esercitazioni. È richiesto l’uso di strumenti di disegno. È consigliato l’uso di fogli elettronici (Excel) o software di calcolo (MATLAB/Python).

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Progetto di Motori per Aeromobili Le esercitazioni saranno di carattere numerico e verteranno sul progetto preliminare globale e dei singoli componenti di un propulsore a turbina (turbofan) per un aeromobile di nuova generazione. In particolare, gli studenti divisi in team (max 4 persone) si occuperanno dello sviluppo di un propulsore per un caccia militare. Sarà obbligatorio per ciascun team presentare una relazione scritta che sarà parte integrale dell'esame finale. Per le esercitazioni verranno utilizzati i software matlab e EADsys.

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Poiché questo insegnamento è una particolare sintesi di molti aspetti della costruzione di macchine applicata alla propulsione aeronautica, è stato sviluppato materiale didattico apposito che non coincide con un unico testo disponibile sul mercato. Durante le lezioni saranno consigliati testi per approfondimenti e nel materiale fornito si fa esplicito riferimento a questi testi. LEZIONI - Le dispense (in inglese), stampati delle diapositive utilizzate a lezione, vengono messe a disposizione sul portale della didattica. ESERCITAZIONI - I testi dei problemi proposti, le schede tecniche, la sintesi da norme e manuali, (normalmente in inglese) sono messi a disposizione sul portale della didattica. I testi comprendono anche le tracce scritte di soluzione.

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Progetto di Motori per aeromobili Appunti e materiale didattico verranno forniti dal docente durante il corso. Per un ulteriore approfondomento si consigliano i seguenti testi: - J.D. Mattingly, W.H. Heiser, D.T. Pratt, "Aircraft Engine Design - 2nd Edition", AIAA Educational, 2002. - J.D. Mattingly, H. von Ohain, "Elements of Propulsion: Gas Turbine and Rockets", AIAA Educational, - 2006

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Slides; Dispense; Esercizi; Video lezioni tratte da anni precedenti;

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Slides; Libro di testo;

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo;

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo; Elaborato progettuale in gruppo;

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Exam: Written test; Compulsory oral exam; Group essay;

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Exam: Compulsory oral exam; Group essay; Group project;

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Agli studenti e studentesse si chiede di dimostrare, dopo aver frequentato questo insegnamento, di aver acquisito le conoscenze specifiche e la capacità di applicarle. In particolare, devono - conoscere la teoria e i modelli matematici e applicarli alla progettazione o alla verifica dei componenti delle turbomacchine; - calcolare le prestazioni meccaniche dei componenti che interagiscono assemblati in una macchina, e quindi la cinematica, le forze e le tensioni scambiate; - individuare i punti critici di cedimento, secondo tutti i possibili meccanismi di rottura, valutare le incertezze e applicare i coefficienti di sicurezza appropriati, valutare se le sollecitazioni sono ammissibili; - analizzare un componente di macchina esistente per verificare se soddisfa i requisiti assegnati; introdurre le opportune modifiche di progettazione per mitigare le tensioni e incrementare resistenza e durata o per migliorare le prestazioni; - conoscere alcune norme di progettazione meccanica relative alla costruzione delle macchine. - identificare i dati necessari a un progetto e avere strumenti per reperirli in sedi affidabili; - presentare, in forma sia orale sia scritta, un insieme chiaro e ben strutturato di considerazioni pertinenti sulle assunzioni di progetti, sui metodi impiegati e sui risultati; - valutare gli ordini di grandezza dei valori numerici che ragionevolmente l’ingegnere si deve attendere nel proprio contesto; - leggere, comprendere e commentare materiale tecnico da libri, da manuali e da qualsiasi altra fonte; - leggere correttamente il disegno meccanico di una macchina (tipiche e professionalmente necessarie le diverse soluzioni alternative per i montaggi dei cuscinetti), identificare i vincoli imposti dalle sollecitazioni meccaniche e termiche, dai requisiti funzionali e dai materiali. L’esame finale, che accerta l’acquisizione delle conoscenze e della capacità di applicarle sopracitate, consiste di una prova scritta - della durata di 2 ore senza l'ausilio di appunti, libri o altro (in qualsiasi forma, cartacea o digitale) e di una prova orale, della durata di circa 40 minuti. Prova scritta La prova scritta consiste di 3 quesiti: 1 domanda sulle conoscenze e 2 esercizi di applicazione delle abilità. Le domande corrispondono ciascuna a una parte di capitolo scelto tra quelli relativi alle conoscenze illustrate a lezione, gli esercizi a un problema di calcolo affine a quelli sviluppati durante le esercitazioni. Il punteggio attribuito alla prova scritta è di 30 punti, assegnati sulla base della griglia di valutazione sotto riportata. - Conoscenze e abilità complete e approfondite unite ad una corretta, precisa, sicura capacità di comprensione e applicazione; capacità nello stabilire collegamenti disciplinari e multidisciplinari e nel rielaborare con senso critico il lavoro svolto e i risultati ottenuti: da 27 a 30/30. - Conoscenze corrette e buone abilità; buona comprensione e capacità di effettuare collegamenti disciplinari e multidisciplinari: da 24 a 26/30. - Conoscenze e abilità corrette; buona comprensione e applicazione delle conoscenze: da 21 a 23/30. - Conoscenze degli aspetti principali degli argomenti e abilità essenziali pur commettendo errori non gravi: da 18 a 22/30. - Conoscenze e abilità incomplete; conoscenze applicate in modo incompleto e impreciso; errori e carenze logico-rielaborative: da 15 a 17/30. - Conoscenze e abilità con gravi lacune; gravi errori di comprensione e individuazione delle soluzioni; gravi carenze logico rielaborative: da 12 a 14/30. - Conoscenze e abilità del tutto mancanti o frammentarie; insufficiente comprensione del problema e incapacità di individuare le soluzioni; mancanza di logica e capacità di rielaborazione: massimo 11/30. Per essere ammessi alla prova orale è necessario ottenere nella prova scritta un punteggio minimo di 18/30 punti con un minimo di 6 punti per ciascun quesito. Prova orale Dopo la correzione degli scritti l’allievo viene convocato, se ne ha i requisiti, per una prova orale della durata di circa 40 ,minuti. La prova orale consiste di - una revisione della prova scritta in cui gli esaminatori informano l’allievo o l’allieva sui criteri di correzione, ricevono eventuali precisazioni e decidono se modificare il giudizio. - Un colloquio tecnico con gli esaminatori che approfondiscono le conoscenze e la capacità di affrontare autonomamente un problema di progettazione meccanica individuando la migliore applicazione delle conoscenze acquisite. Questo colloquio vale fino a 30/30. La durata del colloquio è di circa 20 minuti. - Una discussione con gli esaminatori di parti della relazione sulle esercitazioni che lo studente ha raccolto in un fascicolo personale. Questo fascicolo potrà essere presentato in forma di relazione scritta o di presentazione. Il fascicolo dovrà essere caricato nella sezione elaborati del portale della didattica una settimana prima della data dello scritto in cui lo studente o la studentessa intendono sostenere l’esame. Durante questa discussione saranno valutate sia le competenze acquisite per risolvere gli specifici problemi sia la chiarezza dell’esposizione e la completezza del lavoro svolto. Questa discussione vale fino a 30/30. La durata della discussione è di circa 20 minuti. La valutazione complessiva è data dalla media delle valutazioni parziali, ossia prova scritta, colloquio tecnico e discussione delle esercitazioni. L’esame è considerato superato se le diverse parti hanno una valutazione minima di 18/30. Gli esaminatori valuteranno, eventualmente con un’indagine supplementare, se assegnare il voto 30 e Lode.

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Progetto di Motori per aeromobili L'esame è orale e prevede tre domande relative alla parte teorica e la discussione delle esercitazioni. È richiesta una dettagliata relazione sulle esercitazioni svolte che concorre, assieme all'esame orale, in maniera paritaria alla formulazione del voto finale. La relazione dovrà essere consegnata qualche giorno prima dello svolgimento della prova orale. La durata dell'esame sarà di circa mezz’ora.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.