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ELICA AEREA Cap. 16 “Studio dell` elica” pag. 429
ELICA AEREA Cap. 16 “Studio dell’ elica” pag. 429 1 AEREI A ELICA Lockheed C-130H Hercules (L-382) 2 AEREI A ELICA Grumman S-2F3AT Turbo Tracker (G-121) 3 AEREI A ELICA Grumman E-2C Hawkeye 2000 (G-123) 4 AEREI A ELICA Alenia G 222 5 AEREI A ELICA Antonov AN 22° Antei 6 ELICA AEREA - FOTO OGIVA ELICA BIPALA A PASSO VARIABILE 7 ELICA AEREA - FOTO ELICA TRIPALA A PASSO VARIABILE OGIVA MOTORE 6 CILINDRI CONTRAPPOSTI “CONTINENTAL” 8 ELICA AEREA - FOTO MOTORE 6 CILINDRI CONTRAPPOSTI “CONTINENTAL” ELICA TRIPALA A PASSO VARIABILE OGIVA 9 ELICA AEREA - FOTO MOTORE 6 CILINDRI CONTRAPPOSTI “CONTINENTAL” ELICA TRIPALA A PASSO VARIABILE SEMIALA SINISTRA OGIVA 10 ELICA AEREA TURBOELICA La turbina, oltre a muovere il compressore è collegata anche ad un’elica: la spinta viene così fornita principalmente dall’elica, ed in impieghi a quote relativamente più elevate in parte anche dal getto di scarico proveniente dalla turbina. Questo propulsore, anche se sviluppa potenze inferiori al turboreattore, è più economico e quindi ancora rivalutato ed impiegato sugli aerei da trasporto. MOTOELICA il motore a scoppio è stato usato anche negli aerei e lo è ancora sui piccoli velivoli. Su di esso è montata un'elica spingente, praticamente una turbina. 11 ELICA AEREA L’elica è l’elemento che, accelerando “poco”una “notevole” massa d’aria, trasforma la potenza erogata dal motore in TRAZIONE La spinta, o la trazione, necessaria alla propulsione di un aeromobile è ottenuta proiettando una massa fluida nel verso opposto alla direzione del moto. La trazione nasce, per il principio di azione e reazione, come reazione alla forza che deve essere esercitata sulla massa per accelerarla. Nel caso dei propulsori ad elica (motoelica e turboelica) l’elica chiama a sé e poi proietta 12 all’indietro aria ambiente. ELICA AEREA 1. L'elica è essenzialmente una vite che, quando ruota, si spinge nell'aria o nell'acqua come la vite . 2. La pala di un'elica aerea ha una sezione aerodinamicamente simile a quella di un'ala e, quando si muove nell'aria, genera portanza e resistenza aerodinamica perpendicolarmente e parallelamente alla velocità dell'aria rispetto alla sezione della pala. 3. Propulsore poco “caricabile” 4. Trascurabile la variazione di densità che l'aria subisce nell‘ attraversarla. Ipotesi non più verosimile quando si raggiungono velocità di volo di 600-700 km/h (comprimibilità e formazione di onde d’urto) 13 ELICA AEREA Eliche aeronautiche: sono eliche studiate per agire in una miscela di vapori e gas che è l'aria. Data la scarsa densità di quest’ ultima le eliche aeronautiche sono caratterizzate soprattutto dalle alte velocità di rotazione e dalla sottigliezza delle pale. Eliche marine: al contrario delle precedenti, queste eliche agiscono all'interno di un liquido che è l‘ acqua e pertanto, date le maggiori densità, queste eliche sono caratterizzate da velocità di rotazione più basse e da pale più espanse. 14 ELICA AEREA - Parti costitutive Un’elica è formata dalle seguenti parti essenziali: Il mozzo è la parte centrale, fissato all’albero, su cui sono calettate le pale. La sua forma deve essere ogivale per presentare la minima resistenza all’avanzamento. Le pale sono gli elementi che creano la forza traente e sono vere e proprie ali rotanti. L’albero motore è collegato tramite opportuno meccanismo al motore che applica ed esso la coppia necessaria a mettere in rotazione l’intero organo. 15 ELICA AEREA ELICHE TRAENTI: sono poste sulla parte anteriore del motore e perciò studiate per fornire la propulsione risucchiando il fluido indisturbato che si trova davanti avanzamento e fluidodinamiche semplicità al mezzo quindi del nella direzione spingendolo mezzo. schematizzare sulle di parti Si preferisce per tale modalità di funzionamento sottoforma di trazione: appartengono a questa tipologia la maggior parte delle eliche aeronautiche utilizzate dagli aeromobili e alcune moderne applicazioni marine utilizzate sulle navi. 16 ELICA AEREA Eliche spingenti: sono analoghe alle traenti, ma collocate nella zona posteriore del motore. Perciò esse incontrano anteriormente un fluido in moto disuniforme superfici che risente del fluidodinamiche del passaggio mezzo. tra le Pertanto risulta più semplicemente schematizzabile la sua azione sottoforma di spinta anziché trazione. A questa tipologia appartiene la stragrande maggioranza delle eliche marine utilizzate su tutti i tipi di imbarcazioni e alcune applicazioni aeronautiche (in particolare nei prototipi dell'inizio del XX secolo). 17 ELICA AEREA RQ1 -Predator 18 ELICA AEREA ELICHE PORTANTI: al contrario delle precedenti, questo tipo di eliche fornisce una spinta sostentatrice, cioè opposta alla forza di gravità. Sono perciò utilizzate sugli elicotteri 19 GEOMETRIA L’elica possiede 3 assi di riferimento: ASSE X: asse di rotazione ASSE Y: PRIMO asse della pala ASSE Z: SECONDO asse della pala L’elica viene graficamente proiezioni piano rappresentata tramite ortogonali; Y-Z due una chiamata sul pianta dell’elica, ed una sul piano X-Y chiamata come si profilo dell’elica; può rappresentazione notare si limita mozzo e ad una sola pala. 20 la al GEOMETRIA L’elica possiede inoltre due assi di riferimento chiamati “CAMPANATURA”: PIANO X-Y: CAMPANATURA PRIMARIA; PIANO Y - Z: CAMPANATURA SECONDARIA; Viene definita campanatura dell’elica la linea che unisce i baricentri dei vari profili che costituiscono la pala, tale linea è una curva e il suo andamento è dettato esclusivamente da criteri di resistenza strutturale del materiale di cui l’elica è composta in quanto, consente ai momenti flettenti prodotti dalle forze centrifughe di contrastare i momenti flettenti provocati dalla trazione e dalla forza resistente. 21 NOMENCLATURA Le eliche che assorbono una coppia dal motore sono denominate eliche positive e possono creare una trazione positiva (funzione traente) o negativa (funzione frenante). Esistono però, anche eliche che forniscono una coppia all’albero; in tal caso sono denominate mulinelli o eliche negative. Le eliche sono dotate di due moti diversi: rotazione e traslazione, da cui un moto risultante di tipo elicoidale. Se manca il moto rotatorio l’elica è detta bloccata, mentre se è assente il moto di traslazione l’elica è detta a punto fisso. 22 NOMENCLATURA In relazione al senso di rotazione, assumendo come punto di osservazione la posizione del pilota, un’elica può essere destrorsa o sinistrorsa a seconda che ruoti in verso orario o antiorario rispettivamente. Si definisce diametro dell’elica il diametro del cilindro circolare minimo circoscritto all’elica, il cui asse coincide con quello di rotazione. Si definisce disco dell’elica il cerchio di diametro pari al diametro dell’elica e giacente nel piano normale all’asse di rotazione. 23 ELICA AEREA PASSO DELL’ ELICA (geometria): è la grandezza che esprime la distanza percorsa da un'elica in un giro 24 ELICA AEREA PASSO GEOMETRICO: è la distanza teoricamente percorsa trascurando la cedevolezza del fluido e perciò corrispondente alla distanza che l'elica percorrerebbe se si muovesse all'interno di un corpo solido 25 ELICA AEREA Sezione della pala nel piano X-Z: β = angolo di calettamento geometrico β0 = angolo di calettamento aerodinamico Asse a portanza nulla (P = 0) 26 ELICA AEREA PASSO GEOMETRICO E AERODINAMICO Considerando un punto qualsiasi sulla pala dell’elica questo, durante il funzionamento, compie un moto roto-traslatorio comunemente chiamato moto elicoidale, il cui passo può essere determinato con la seguente formula: Passo geometrico (corda) Passo aerodinamico (asse P = 0) = 2 π r tan β = 2 π r tan β 0 27 ELICA AEREA AVANZO E REGRESSO La distanza effettivamente percorsa da un generico punto sulla pala dell’elica in un giro è chiamata avanzo (A), mentre la differenza tra il passo geometrico e l’avanzo prende il nome di regresso (R). R=P-A 28 ELICA AEREA - scomposizione forze ε SCOMPOSIZIONE DELLA FORZA AERODINAMICA IN TRAZIONE E FORZA RESISTENTE SCOMPOSIZIONE DELLA FORZA AERODINAMICA IN PORTANZA E RESISTENZA AEROD. 29 ELICA AEREA 30 ELICA AEREA CALCOLO DEL REGRESSO Per fare un giro l’elica impiega un tempo t: 2π 2π t= (da ω = ) ω t Nello stesso tempo t, l’ avanzo dell’elica è: A=vt A= 2πv ω sostituendo nell’espressione avremo: R = P − A = 2πr tan β − 2πv ω = 2πr tan β − 2π ω (ωr tan ε ) = 2πr (tan β − tan ε ) 31 ELICA AEREA Durante il funzionamento dell’elica a punto fisso, l’avanzo è nullo e il regresso è uguale al passo geometrico; aumentando la velocità di volo, l’avanzo aumenta e il regresso diminuisce, fino ad un valore in corrispondenza del quale l’avanzo è uguale al passo geometrico e il regresso diventa nullo. Come già detto, il calettamento è variabile; per convenzione si definisce calettamento dell’elica quello relativo ad una particolare sezione e precisamente quello relativo a r = 0,75 R; Si fa notare che la convenzione non è universalmente adottata; infatti in Inghilterra e negli Stati Uniti si considera come sezione di riferimento quella a r =2/3 R. 32 ELICA – altre tipologie A PASSO VARIABILE. L’angolo di calettamento dei profili alari è variabile. Si distinguono a seconda delle modalità con cui è variato il passo: Variazione a terra (Ground adjustable pitch): il passo è regolato solo a terra, a motore spento; ciò è utile per adeguare l’elica a condizioni di volo differenti, che devono essere peraltro previste prima del decollo; la regolazione avviene allentando i bulloni che fissano le pale al mozzo. Variazione a bordo (Controllable pitch): il passo può essere regolato dal pilota durante il volo tramite un servomeccanismo azionato idraulicamente. Consente una miglior efficienza propulsiva in ogni condizione di volo (decollo, atterraggio, crociera) grazie alla regolazione dell’angolo di incidenza della corrente relativa. 33 ELICA – altre tipologie 34 ELICA – altre tipologie A PASSO FISSO. L’angolo di calettamento dei profili alari è fisso e, quindi, privo di regolazione. Possono essere a 2 o 3 pale e sono generalmente in legno o metallo. In legno : sono prodotte assemblando conci radiali di legno laminato. Sono impiegati da 5 a 9 conci di legno dello spessore di 3/4 di pollice. In metallo : sono generalmente in lega leggera di alluminio, e sono ottenute forgiando una singola barra; sono in generale più sottili di quelle in legno e vengono impiegate per dimensioni e velocità maggiori. 35 ELICA – altre tipologie A PASSO VARIABILE BANDIERABILE (Full Feathering). Particolare elica a passo variabile, le cui pale si possono disporre, a comando, allineate con il flusso. Riduzione della resistenza in caso di rottura accidentale del motore REVERSIBILE (Reversible). Caratterizzata dalla possibilità di ridurre e, al limite, rendere negativo il passo. Invertire il segno della spinta prodotta. Utilizzata in grossi aeromobili per ridurre lo spazio d’arresto durante l’atterraggio 36 ELICA AEREA 37 ELICA AEREA - funzionamento E’ una macchina che trasforma l’energia di rotazione del motore (coppia motrice) in un’ energia di traslazione (Trazione). Come tutte le macchine avremo un rendimento ηe (rendimento dell’elica: Lutile Tv = η= Lentrante C ω T= trazione dell’elica v = velocità relativa C = coppia motrice ω = velocità angolare 38 ELICA AEREA Definizioni: ε Sezione dell’ elica a distanza r dal centro y-z = piano di rotazione dell’elica vp= velocità periferica (ωr) v = velocità di traslazione (di volo) w=velocità relativa α= angolo di incidenza tra w e corda del profilo Trazione (T) = componente della forza aerodinamica in direzione x; Forza resistente (R): componente della forza aerodinamica in direzione39z. ELICA AEREA - funzionamento Si definisce rapporto di funzionamento dell’elica γ, il rapporto tra la velocità di volo v e la velocità periferica all’estremità dell’ elica: v γ= ωR 40 ELICA AEREA – formule di RENARD Le 3 formule di RENARD consentono di calcolare la trazione, la coppia assorbita dall’elica e il rendimento: TRAZIONE dell’ elica T=τ ρ ω2 R4 [N] COPPIA ass. dall’elica C=χ ρ ω2 R5 (1) [Nm] (2) τ = coefficiente di trazione χ = coefficiente di coppia ρ = densità dell’aria ω = velocità angolare dell’elica (rad/sec) R = raggio dell’elica (m) 41 ELICA AEREA - funzionamento E’ una macchina che trasforma l’energia (potenza) di rotazione del motore (coppia motrice) in un’ energia (potenza) di traslazione (Trazione). Come tutte le macchine avremo (rendimento propulsivo) dell’elica: un rendimento ηe Wutile Tv η= = Wassorbita C ω T = trazione dell’elica (N) v = velocità volo (m/s) C = coppia motrice (Nm) ω = velocità angolare (rad/sec) 42 ELICA AEREA – Schema a blocchi ηm = Pum Pim ηr = Pur Pir ηe = Pur = Pue Tv = Pie Cω Pie Pim Pue Pur ηm MOTORE Pie Pue RIDUTTORE Pum Pir ηr ηe ELICA Pum = Pir 43 ELICA AEREA - funzionamento Sostituendo le formule di Renard: 2 4 Tv τρω R v τv τ η= γ = = = 2 5 Cω χρω R ω χRω χ (3) Le da caratteristiche dell’elica sono dedotti diagrammi sperimentali che ci danno i coefficienti χ, τ e η in funzione del rapporto di funzionemanto γ, al variare dell’angolo di calettamento al 75% del raggio della pala 44 ELICA AEREA - funzionamento 1A 1B 2 45 (A) - ELICA A PUNTO FISSO v=0 In questo caso γ = 0, ed è il caso in cui l’elica è in movimento ma il velivolo viene mantenuto frenato quindi, come si può vedere dai grafici, si avrà il massimo coefficiente di trazione (Tmax), un certo valore di coefficiente di coppia ma il rendimento propulsivo risulta ovviamente uguale a zero (η = 0). In pratica, essendo uguale a zero il vettore velocità di volo v, il vento relativo coincide con il vettore velocità periferica e l’angolo di incidenza risulta molto elevato e coincidente con l’angolo di calettamento geometrico (α α=β) . Questa particolare condizione si ottiene in pratica con il velivolo fermo in pista, con il freno di 46 parcheggio inserito, durante la prova motore prima del decollo. (B) - ELICA PROPULSIVA A REGIME NORMALE v≠0 0 < γ < γ1 Iniziando la corsa di rullaggio, v aumenta e α diminuisce, e rappresenta il normale funzionamento dell’elica durante il volo, produce una trazione assorbe una coppia e, considerando l’elica a passo fisso, raggiunge il massimo rendimento propulsivo ad un solo valore del rapporto di funzionamento. Come sì può vedere l’angolo di incidenza α dipende dal rapporto tra la velocità di volo e la velocità periferica: tale condizione si verifica durante tutte le fasi del 47 volo, decollo, salita, crociera, discesa, avvicinamento e atterraggio. (C) - ELICA A TRAZIONE NULLA O ELICA TRASPARENTE v≠0 γ = γ1 Aumentando la velocità v, quando il vettore della forza aerodinamica si trova parallelo all’asse Z, l’elica non produce più trazione ma continua ad assorbire una coppia per cui il rendimento propulsivo risulta uguale a zero. Durante il volo questo può capitare se l’aereo viene portato ad elevata velocità, ad esempio in picchiata con forte angolo di pendenza della 48 traiettoria (D) - ELICA FRENANTE v≠0 γ1 < γ < γ2 La forza aerodinamica si sposta all’indietro e aumenta ancora la velocità (così come γ), e conseguentemente l’ angolo di incidenza diminuisce, diventando negativo; anche la trazione è negativa, mentre la coppia è ancora positiva. Pertanto in picchiata con forte angolo di pendenza della traiettoria, l’elica frena il velivolo mantenendolo ad una velocità accettabile ed impedendogli dì superare la massima velocità di 49 progetto strutturale Vne (linea rossa sull’anemometro). (E) - ELICA A COPPIA NULLA (AUTOROTANTE) O GIRANDOLA v≠0 γ = γ2 All’aumentare del rapporto di funzionamento γ, ad un certo punto la forza aerodinamica si trova parallela all’asse X rivolta in senso opposto al moto e quindi non ammette nessuna forza resistente e quindi nessun assorbimento di coppia (FR = 0). Tale caso non deve verificarsi durante il volo per cui il progettista dovrà tener conto delle prestazioni del velivolo e scegliere di conseguenza 50 un’elica adatta. (F) - ELICA MOTRICE O MULINELLO v≠0 γ > γ2 Aumentando sempre di più il rapporto dì funzionamento (γ) la forza aerodinamica si sposta, in modo tale da ammettere una componente parallela all’asse X rivolta in senso opposto al moto e una componente parallela all’asse Z ma rivolta nel senso di rotazione dell’elica (forza motrice) che produce una coppia. Questo tipo di funzionamento viene sfruttato nel generatore eolico (mulino a vento) per produrre energia elettrica sfruttando la velocità del vento che investe la pala. Un’altra applicazione di elica autorotante viene sfruttata nell’elicottero per consentire una planata in caso di emergenza, 51 da planata che viene appunto definita in autorotazione. Tale condizione è assolutamente evitare in quanto molto pericolosa per il gruppo motopropulsore. ELICA AEREA – passo variabile Risulta evidente quindi che sull’aereo l’elica deve funzionare al massimo fino al campo di elica frenante, utilizzato in caso di picchiata con forte angolo di discesa, per cui il progettista dovrà scegliere l’elica più opportuna che sia adatta al motore e alle prestazioni richieste dal velivolo. ELICA A PASSO VARIABILE 52 ELICA AEREA - passo variabile Un’elica a passo fisso costituisce solo un compromesso alle diverse esigenze di volo, dato che al decollo serve un passo corto (piccolo angolo di calettamento), per la salita serve un passo un po’ più lungo e per la crociera un passo molto più lungo, il problema viene risolto impiegando eliche a passo variabile che sono in grado di aumentare il funzionamento dell’elica soprattutto mantenere di campo propulsiva il di ELICA A PASSO VARIABILE e massimo 53 rendimento propulsivo. ELICA AEREA - passo variabile Passo variabile massimo rendimento Comando manuale del pilota (in disuso) Comando con regolatore di giri centrifugo 54 ELICA AEREA - passo variabile Passo fisso solo piccoli aerei leggeri Passo variabile in tutti gli aerei plurimotori con giri costanti del motore; “Elica in bandiera” rottura motore “Inversione passo – Reverse”: Bassa sollecitazione dei freni; Atterraggio con pista ghiacciata;55 55 ELICA AEREA - passo variabile 56 Interferenze elica velivolo PRINCIPALI INTERFERENZE: Interferenze aerodinamiche Flusso elicoidale Effetto P Interferenza meccanica Coppia di reazione Effetto giroscopico 57 Interferenze elica-velivolo Interferenze aerodinamiche: Flusso elicoidale Alle spalle dell’elica si genera un flusso elicoidale che investe la fusoliera e gli impennaggi, nel caso di elica destrorsa questo flusso investe il lato sinistro dell’ impennaggio verticale, provocando un momento imbardante (rotazione attorno all’asse verticale dell’aereo), e in modo asimmetrico l’impennaggio orizzontale, provocando un momento di rollio (rotazione attorno all’ asse longitudinale dell’aereo). Il progettista in base alle caratteristiche geometriche ed aerodinamiche del velivolo è in grado, con prove nella galleria aerodinamica, di valutare l’entità ditali momenti 58 Interferenze elica-velivolo Interferenze aerodinamiche: EFFETTO P Durante il volo in salita o in discesa le pale dell’elica funzionano con una diversa velocità relativa in quanto alla velocità periferica Vp si somma o si sottrae (a velocità di salita dell’aereo. In conseguenza di ciò si viene a generare una diversa trazione tra le due pale che provoca un momento di imbardata (rotazione attorno all’asse verticale dell’aereo) che deve essere contrastato dal pilota. 59 Interferenze elica-velivolo Interferenze elica-velivolo Interferenze meccaniche: COPPIA DI REAZIONE L’elica, come studiato precedentemente, assorbe una coppia e quindi il motore dovrà fornire una coppia motrice in grado di mantenerla in movimento; per reazione sul velivolo si risente di una coppia uguale e contraria chiamata coppia di reazione. VELIVOLO MONOMOTORE: allungamento della semi-ala così che la portanza sia spostata rispetto alla mezzeria dell’aereo, generando un momento di rollio che compensa la coppia di reazione. L’allungamento d si può calcolare imponendo l’equilibrio tra coppia di reazione C, e il momento della portanza P (uguale al peso Q se in volo orizzontale): d 2C 2C C = P ⇒d = ⇒d = 2 P Q 60 Interferenze elica-velivolo Interferenze elica-velivolo Interferenze meccaniche: COPPIA DI REAZIONE In questo caso anche la resistenza R risulta spostata dalla mezzeria, generando, se non compensata una coppia imbardante; la compensazione si effettua spostando l’asse del motore di una quantità d/2. Altro metodo per compensare la coppia di reazione in un monomotore è quello di calettare in maniera differente gli impennaggi orizzontali, in maniera che dia un momento di rollio che contrasta la coppia di reazione d 2C 2C C = P ⇒d = ⇒d = 2 P Q 61 Interferenze elica-velivolo Interferenze elica-velivolo Interferenze meccaniche: COPPIA DI REAZIONE VELIVOLO BIMOTORE: l’annullamento della coppia di reazione può essere fatta adottando eliche controrotanti 62 Interferenze elica-velivolo Interferenze Interferenze meccaniche:elica-velivolo EFFETTO GIROSCOPICO Durante il funzionamento l’elica si comporta come un giroscopio, il quale precessiona ogni volta che viene forzato a girare intorno agli assi sui quali gli manca la libertà, cioè l’asse trasversale e l’asse verticale del velivolo; nel caso di elica destrorsa si manifesta seguenti nei modi: Quando l’aereo picchia o cabra, la precessione giroscopica tende a farlo imbardare rispettivamente a sinistra o a destra; Quando l’aereo vira a destra o a sinistra, la precessione tende rispettivamente a farlo picchiare o cabrare. 63 Interferenze elica-velivolo Interferenze Interferenze meccaniche:elica-velivolo EFFETTO GIROSCOPICO La verifica si esegue utilizzando la regola della mano destra, dove il pollice indica il vettore rotazione (asse di rotazione), mentre le atre quattro dita ci indicano il verso di rotazione. La coppia di reazione per effetto giroscopico si individua facendo ruotare il vettore velocità angolare dell’elica sul vettore velocità angolare della manovra che il pilota esegue. Sempre con la mano destra sarà individuata la coppia di reazione nascente. ELICA Destrorsa Sinistrorsa Destrorsa Sinistrorsa Destrorsa Sinistrorsa Destrorsa Sinistrorsa MANOVRA DEL PILOTA Virata sinistra Virata destra Virata destra Virata sinistra Cabrata Picchiata Picchiata Cabrata COPPIA DI REAZIONE Cabrata Cabrata Picchiata Picchiata Virata destra Virata destra Virata sinistra Virata sinistra ω 64