Studio di fattibilità di conversione di un deltaplano da motore termico a motore elettrico

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Studio di fattibilità di conversione di un deltaplano da motore termico a motore elettrico Tesi di Laurea di: Lorenzo Volta Relatore Chiar.mo Prof. Luca Piancastelli

2 OBIETTIVO Oggetto della tesi è convertire la propulsione di un deltaplano da motore termico a motore elettrico alimentato da batterie a polimeri di litio (Li-Po) mantenendo un autonomia minima di un ora di volo. L ultraleggero in oggetto nel presente studio è un deltaplano con telaio in acciaio e carenature in fibra di carbonio, avente una massa a pieno carico di 409 kg e una potenza di 75 cv fornita da un motore Rotax 912 Conversione alla propulsione elettrica MOTORE: 4 cilindri,4 tempi Potenza: 75 cv@5800 rpm Coppia max: 103Nm@4800 rpm Massa(motore+radiatore): 100 kg Telaio DELTAPLANO: acciao Carenature: fibra di carbonio Massa: 410 kg MOTORI: Elettrici Brushless BATTERIE: polimeri di Litio MASSA consentita dalla legge(monoposto): 300 kg

3 Scelta motore e batterie La scelta del motore si è rivolta verso i brushless commerciali con i migliori parametri peso/potenza disponibili, scegliendo tra questi l Hacker A200: Amperaggio medio motore Potenza max: 15 kw N max di Li-po in serie: 12 Voltaggio : 42V Rpm/Volt: 122 kv Rpm:5120 Massa: 2590 g Regolatore non integrato Calcolo assorbimento motore in 1 h di utilizzo 5% max potenza 95% metà potenza Scelta delle batterie Scelta fattore di scarica C INSTALLAZIONE DI TRE MOTORI

4 Scelta motore e batterie Le batterie Li-Po commerciali con il minor rapporto massa/capacità sono le Hyperion G3 35C- 65C da 6500mAh,con una massa(pacco da 6 in serie) di 359 g. Algoritmo di calcolo della massa totale del sistema propulsivo: Potenza max: Massa motore: rpm/volt: rpm: Voltaggio motore: Ampere motore: 15 kw 2,59 kg 122kV 5120 rpm 42 V (max power) 350 A Tot Ah: Ampere motore*[ (5%)3600 ]+ (Ampere motore)/2*[(95%)*3600] 180 Ah Num batterie: Tot Ah/(6,5*0,81) 35 Massa batterie: Num batterie*0,351*6 74 kg Massa controllore (MasterSpin 220) 0,46 kg Num controllori: 30 MassaTot controllori: 16,1 kg Massa Tot Motore: Massa Tot 3 Motori: 92,5 kg 277,5 kg

5 Calcolo diametro ottimale e spinta dell elica Costanti fisiche atmosferiche Velocità del suono alla quota prestabilita(300 m.) Quota di volo Rpm motore Velocità avanzamento Vincolo 0,81 Mach Diametro ottimale dell elica 1025 mm La spinta disponibile all elica è calcolabile da: POTENZA[cv]* 9.81[N/ mm 2 ]* 1,65 = 1214 N

6 Confronto spinta FAN NASA Valutazione installazione del FAN NASA LF460 Rapporto totale di pressione:1,55 Efficienza generale:0,843 Velocità rotore: 4467 [RPM] Potenza assorbita:12727 [cv] Potenza erogata:10181 [cv] Diametro FAN:1522 [mm] Area :1,82[m 2 ] Spinta FAN: N APPLICAZIONE FATTORE DI SCALA Potenza specifica FAN=(Potenza erogata)*0,7355/spinta= 0,117 [kw/kn] Spinta specifica= (1/Potenza specifica)= 8,54 [kn/kw] Spinta totale con FAN =Potenza 3 motori elettrici*spinta specifica FAN 525 N

7 Calcolo del Disk Loading Nell ottica di ridurre ulteriormente il peso si calcola il disk loading caratteristico dell elica basandosi sui grafici e dati N.A.C.A.: Raggio elica[feet]=512,5 Area disco attuatore[feet 2 ]=7,58 Potenza singolo motore[hp]=20,4 DiskLoading=Potenza[hp]/Area[feet 2 ]=8 = 8/2,2[kgf/mm 2 ] in S.T. 2 MOTORI SUFFICIENTI MASSA TOTALE SISTEMA PROPULSIVO 2 MOTORI : 180 kg POTENZA DISPONIBILE: 30 kw

8 Dimensionamento pala Teoria di riferimento: Theodorsen Partenza dai dati di progetto: diametro ottimale elica, velocità avanzamento V, RPM, potenza all albero e numero di pale e V a nd Si procede a calcolare i coefficenti di perdita di energia c e e di trazione c t tramite le formule di Rènard Si trovano due coefficenti di potenza P c e P ct attraverso i quali con l ausilio del software Mathematica si può calcolare il valore delle velocità indotte w (assiali e tangenziali)supposte costanti lungo la lunghezza della pala.

9 Dimensionamento pala Diventa dunque possibile calcolare la perdita di energia ε e il coefficiente di massa k in funzione del coefficiente di avanzamento effettivo ү e, attraverso i grafici contenuti nei Report Il valore del rendimento indotto η i è ricavabile graficamente al variare di ү e Per ogni sezione della pala si calcola la funzione circolazione K(x), i cui grafici sono tabellati in funzione del tipo e numero di pale costituenti l elica

10 Dimensionamento pala Per la realizzazione del profilo pala si è scelto il profilo asimmetrico NACA dimensionato con coefficiente di portanza c l pari a 0,5: Attraverso un procedimento iterativo si sono calcolati i valori dell angolo di calettamento e della larghezza corda delle varie sezioni: 1 1 w 1 V arctan 2 nd x bc l ( V w) w K( x) Bn V 2sen 1 2 cos 2

11 Dimensionamento pala Risultato del dimensionamento: Distanza da mozzo Angolo di calettamento (gradi) Larghezza corda (mm) 0,1R 51,10 167,25 0,2R 31,79 105,41 0,3R 22,45 74,36 0,4R 17,22 56,96 0,5R 13,92 46,03 0,6R 11,67 38,57 0,7R 10,04 33,17 0,8R 8,81 29,09 0,9R 7,84 25,90 0,95R 7,43 24,46

12 Schema di assemblaggio

13 Conclusioni Il risultato della conversione in propulsione elettrica ha mostrato come sia possibile rimanere all interno dei limiti di massa concessi dalla legge per un deltaplano monoposto (300 kg), ma con la stretta limitazione dell autonomia di volo di 1 h, decisamente scarsa per un applicazione pratica. Il solo sistema propulsivo ha una massa di 180 kg con un ingombro dei pacchi batterie molto importanti, contro i 100 kg di un sistema termico che con ingombri assai più modesti raggiunge un autonomia di circa 4 ore.