ALMA MATER STUDIORUM
UNIVERSITA’ DI BOLOGNA
FACOLTA DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA
STUDIO DI MASSIMA DI UN’ ELICA
OTTIMIZZATA PER UN RICOGNITORE
STRATOSFERICO
Tesi di laurea di:
Francesco Mantovani
Relatore:
Chiar.mo Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI
Correlatori:
Prof. Ing. GIANNI CALIGIANA
Prof. Ing. ALFREDO LIVERANI
Dott. Ing. ENRICO TROIANI
OBIETTIVI
TROVARE UN’ ELICA IN GRADO DI FORNIRE BUONE
PRESTAZIONI PER LE SEGUENTI CONDIZIONI OPERATIVE:
• Altezza massima di funzionamento: 25000 metri;
• Potenza trasformabile compresa tra 150 CV e 300 CV;
0,
9
M
• Velocità risultante all’apice delle pale: 0,9 Mach.
W
=
V
U
CARATTERISTICHE DEL VOLO
STRATOSFERICO
• BASSA DENSITA’ DELL’ARIA (a 25000 metri ρ = 0,04 kg/m3);
• BASSI NUMERI DI REYNOLDS (variabili tra 35000 e 200000).
OCCORRONO VELIVOLI DALLE ELEVATE PRESTAZIONI:
• MOTORISTICHE
• AERODINAMICHE
UTILIZZO DI PROFILI
ALARI E PALE PARTICOLARI
Studi precedenti sulla propulsione ad
elica ad altezze stratosferiche
Programma ERAST (Environmental
Research Aircraft and Sensor Technology)
della NASA
SCOPO:
• Studiare le proprietà chimico-fisiche della
stratosfera;
• Realizzare un velivolo in grado di operare
in atmosfere rarefatte.
CONDIZIONI DI PROGETTO:
• Altezza massima raggiungibile: 25900 metri;
• Potenza trasformabile: 63,4 kW;
• Velocità di crociera: 0,4 Mach.
Studi precedenti sulla propulsione ad
elica ad altezze stratosferiche
Programma ERAST (Environmental
Research Aircraft and Sensor Technology)
della NASA
SOLUZIONE:
• Elica singola a 3 pale;
• Diametro: 4,6 metri;
• Corda massima: circa 420 mm;
• Profilo Eppler 387 (progettato per bassi
valori del numero di Reynolds).
Studi precedenti sulla propulsione ad
elica ad altezze stratosferiche
Programma ERAST (Environmental
Research Aircraft and Sensor Technology)
della NASA
SOLUZIONE:
• Elica singola a 3 pale;
• Diametro: 4,6 metri;
• Corda massima: circa 420 mm;
• Profilo Eppler 387 (progettato per bassi
valori del numero di Reynolds).
Fase preliminare dello studio
Impiego della teoria di Theodorsen
Tramite un coefficiente di massa k, si
trovano il valore della velocità indotta w e
la circolazione K(x) ad ogni sezione di pala,
per via grafica.
E’ possibile trovare e dimensionare l’elica
dalle migliori prestazioni, con l’ausilio di
grafici e semplici calcoli
Fase preliminare dello studio
In funzione di w, k e K(x) si trovano:
• Il rendimento indotto ηi per via grafica
• Il coefficiente di avanzamento effettivo γ:
γ=
V +w
nD
• L’angolo d’elica Ф:
1 ⎞
⎛
⎜ 1 V 1+ w ⎟
2 ⎟
φ = arctan⎜
x ⎟
⎜ π nD
⎜
⎟
⎝
⎠
• La distribuzione del carico lungo la pala bcl:
bcl =
(V + w) w
K ( x)
Bn
2 senφ
1
V + cos 2 φ
2
La prima variante
Realizzazione di fogli calcolo contenenti i dati relativi a
varie eliche, per la determinazione dell’elica a più elevato
rendimento indotto
Selezione delle eliche
dalle migliori prestazioni
e dimensionamento delle pale
La prima variante
Si è confrontato il profilo Eppler 387 con un profilo classico, il Clark Y,
tramite il programma Profili, che si basa sul codice XFoil, sviluppato
dalla NASA. Si è deciso di utilizzare l’ Eppler 387, visti i valori maggiori
di cl ottenibili a valori minori dell’angolo di attacco α .
La prima variante
L’elica scelta presenta le seguenti caratteristiche:
• Diametro: 4,1 metri;
• Numero di pale: 5;
• Velocità di rotazione: 1000 giri/min.;
• Potenza trasformata: 220 CV;
• Rendimento indotto: ηi= 86,7%;
• Spinta a 25000 m: T = 898 N;
• Corda a 0,7 R: b0,7R = 231 mm;
• Calettamento a 0,7 R : β0,7R = 56,71°.
La prima variante
Problemi:
• Ingombro elevato, a causa del grande valore del diametro;
• Possibili perdite dovute ad onde d’urto in prossimità dell’apice delle pale
dovuti a fenomeni di compressibilità.
Cerchiamo una soluzione che permetta di risolvere questi problemi,
oltre ad assicurare prestazioni altrettanto buone.
La soluzione adottata
Si è deciso di studiare il comportamento di un’elica controrotante,
soggetta alle stesse condizioni di funzionamento. E’ stato mantenuto
il profilo Eppler 387, ma le pale sono state completamente ridisegnate,
sempre seguendo la teoria di Theodorsen, per adeguarle alla diversa
distribuzione del carico, caratteristica delle eliche controrotanti. In queste
ultime la circolazione assume valori massimi a circa 0,3R, anziché a 0,7R
come avviene nelle eliche singole.
La soluzione adottata
Si sono realizzati nuovi fogli di calcolo, che hanno permesso
di scegliere l’elica dalle prestazioni migliori:
La soluzione adottata
E’ stata quindi scelta la seguente elica:
• Diametro: 2,5 metri;
• Numero di pale: 6;
• Velocità di rotazione: 1250 giri/min;
• Potenza trasformata: 250 CV;
• Rendimento indotto: ηi = 87,6%;
• Spinta a 25000 m: T = 770 N;
• Corda a 0,7 R: b0,7R = 201 mm;
• Corda massima: b0,3R = 291 mm;
• Calettamento anteriore a 0,7 R: βf0,7R = 71,14°;
• Calettamento posteriore a 0,7 R: βr0,7R = 68,16°;
• Peso elica senza ogiva: 62,9 kg.
La soluzione adottata
Per il sistema di regolazione del passo è stato adottato il principio
utilizzato per le eliche Hydromatic di Hamilton Standard, nella
versione modificata per eliche controrotanti, realizzata nella tesi
dell’ Ing. Galotto, opportunamente ridimensionata per adattarsi
alla presente elica:
Radice della pala
La soluzione adottata
Per il sistema di regolazione del passo è stato adottato il principio
utilizzato per le eliche Hydromatic di Hamilton Standard, nella
versione modificata per eliche controrotanti, realizzata nella tesi
dell’ Ing. Galotto, opportunamente ridimensionata per adattarsi
alla presente elica:
Crociera
Gruppo pistone-camme anteriore
La soluzione adottata
Per il sistema di regolazione del passo è stato adottato il principio
utilizzato per le eliche Hydromatic di Hamilton Standard, nella
versione modificata per eliche controrotanti, realizzata nella tesi
dell’ Ing. Galotto, opportunamente ridimensionata per adattarsi
alla presente elica:
Gruppo pistone-camme posteriore
La soluzione adottata
Per il sistema di regolazione del passo è stato adottato il principio
utilizzato per le eliche Hydromatic di Hamilton Standard, nella
versione modificata per eliche controrotanti, realizzata nella tesi
dell’ Ing. Galotto, opportunamente ridimensionata per adattarsi
alla presente elica:
Regolazione del passo
Cuscinetto assiale
La soluzione adottata
Materiali impiegati:
• Acciaio 300 M AISI 4340: Indurito
per nitrurazione ionica. Impiegato per
camme, ruote dentate e rulli, parti soggette
ad usura. Presenta buona tenacità,
durezza, resistenza.
• Titanio Ti6Al4V:
Impiegato per scatole, crociere,Pistoni
e bulloni. Buona duttilità, resistenza
alla corrosione, stabilità alle alte
temperature.
• Lega di alluminio 390.0 – T5:
Impiegata per il duomo e l’ involucro
posteriore. Lega di alluminio-silicio,
leggera e facile da lavorare.
La soluzione adottata
Materiali impiegati:
• Fibra di carbonio, M55J:
prodotta da Toray America Corp.
Utilizzata per le pale.
Leggera e resistente.
Tutti i materiali utilizzati sono
di comune impiego nella
industria aerospaziale
Conclusioni
Da uno studio di massima è risultato vantaggioso l’impiego di un’elica controrotante, la
quale è in grado di fornire un elevato rendimento alla quota di 25000 metri, e presenta
inoltre le seguenti differenze rispetto ad un’elica singola:
• Consistente diminuzione del diametro (da 4,1 m a 2,5 m);
• Aumento del rendimento indotto (dello 0,9%);
• Drastica diminuzione del peso;
• Aumento potenza trasformabile (da 220 CV a 250 CV);
• Minore probabilità del verificarsi di onde d’urto per compressibilità;
• Bilanciamento delle coppie giroscopiche;
• Minore probabilità del verificarsi del fenomeno del choking;
• Maggiore complicazione meccanica;
• Necessità di avere un propulsore con due alberi di uscita controrotanti;
• Diminuzione della spinta (da 900 N a 770 N).
Conclusioni
Lavoro futuro:
Durante un’ eventuale fase più approfondita del progetto potrà
essere necessario ottimizzare il dimensionamento delle pale, e
studiare i fenomeni di mutua influenza tra elica e velivolo.
Potrà inoltre rendersi necessaria una fase di sperimentazione, con
la realizzazione di un prototipo.